用傳感器研究壓強(qiáng)改變的注射器實(shí)驗(yàn)的可信度

摘要：分析不同時(shí)期教材中壓強(qiáng)對(duì)平衡移動(dòng)影響實(shí)驗(yàn)的演變、存在的問(wèn)題和提出的質(zhì)疑。用表面溫度傳感器測(cè)定將注射器壓縮至原體積的一半或擴(kuò)大至原體積的兩倍時(shí)溫度的變化，并通過(guò)將盛有相同NO2氣體的試管放在不同溫度的水中，對(duì)比溫度對(duì)2NO2（g）N2O4（g）平衡體系顏色的影響情況。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，注射器壓縮或拉伸過(guò)程中溫度對(duì)體系顏色的變化影響不大，以此說(shuō)明注射器研究壓強(qiáng)對(duì)平衡影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)論是可信的。關(guān)鍵詞：壓強(qiáng)對(duì)平衡的影響；注射器；色度傳感器；表面溫度傳感器用實(shí)驗(yàn)探究壓強(qiáng)對(duì)化學(xué)平衡的影響，是中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn)之一，原因是適合演示的反應(yīng)體系比較少。相對(duì)而言2NO2（g）N2O4（g）是比較適合的反應(yīng)體系，一是因?yàn)榉磻?yīng)體系中的反應(yīng)物和生成物均是單一氣體，體系中物質(zhì)相對(duì)單一；二是反應(yīng)體系中氣體物質(zhì)的量?jī)蛇叢幌嗤?，改變壓?qiáng)平衡將發(fā)生移動(dòng)；三是兩氣體之一為棕色，平衡移動(dòng)會(huì)引起體系顏色變化便于觀察。所以，探究壓強(qiáng)對(duì)平衡移動(dòng)的影響一直以這個(gè)反應(yīng)體系作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。1教材中實(shí)驗(yàn)的變化1.120世紀(jì)80年代教材中實(shí)驗(yàn)方案20世紀(jì)80年代使用的高中化學(xué)教材（甲種本）［1］中，實(shí)驗(yàn)方案如圖1所示。將金屬銅與濃硝酸反應(yīng)產(chǎn)生NO2氣體，用注射器中吸入一定體積的NO2氣體后用橡膠塞塞緊，在注射器中就建立了2NO2（g）N2O4（g）平衡（以下簡(jiǎn)稱NO2平衡體系）。通過(guò)將注射器栓塞迅速推入或拉出并維持位置不變以增大或減小壓強(qiáng)，觀察注射器中氣體顏色的變化，分析得出改變壓強(qiáng)后影響平衡移動(dòng)方向的結(jié)論。但該實(shí)驗(yàn)方案存在的最大問(wèn)題是實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不夠明顯，先加深或先變淺比較容易觀察，后變淺或后加深特別是重新平衡后與原平衡的顏色比較難觀察，不易分辨。1.2上一輪課改教材中的實(shí)驗(yàn)方案由于注射器實(shí)驗(yàn)的不足，上一輪課改（上海稱二期課改）多版本教材中已不再有壓強(qiáng)對(duì)平衡影響的實(shí)驗(yàn)，但滬科版教材《普通高中教材·化學(xué)》高一第二學(xué)期（試用本）［2］仍有壓強(qiáng)對(duì)平衡影響的實(shí)驗(yàn)，仍用NO2和N2O4混合氣體為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，但實(shí)驗(yàn)方案有了變化。實(shí)驗(yàn)方案是：室溫下將相同體積的、顏色相近的NO2與N2O4的混合氣體和Br2蒸氣分別注入兩只注射器中，壓縮或擴(kuò)大至相同體積，對(duì)比兩只注射器中氣體顏色的深淺，得出壓強(qiáng)對(duì)平衡移動(dòng)的影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。本實(shí)驗(yàn)方案操作比較繁瑣，特別是要求混合氣體與溴蒸氣顏色相近特別難調(diào)節(jié)，故實(shí)驗(yàn)推廣差。1.3最新教材中的實(shí)驗(yàn)方案根據(jù)《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》最新編寫的高中化學(xué)教材共有四種版本，對(duì)壓強(qiáng)影響平衡移動(dòng)的實(shí)驗(yàn)處理方式不盡相同，其中人民教育出版社出版的教材中的實(shí)驗(yàn)方案［3］與20世紀(jì)80年代教材中的方案很相似。魯科版教材［4］中，對(duì)壓強(qiáng)影響平衡的探究沒(méi)有用實(shí)驗(yàn)研究的方式，而是直接從平衡常數(shù)進(jìn)行分析。蘇教版教材［5］中也沒(méi)有用實(shí)驗(yàn)來(lái)探究，而是用合成氨反應(yīng)的一系列數(shù)據(jù)作為證據(jù)，來(lái)分析壓強(qiáng)對(duì)平衡移動(dòng)的影響。不過(guò)，蘇教版在教材“拓展視野”欄目中介紹了利用色度傳感器探究壓強(qiáng)對(duì)化學(xué)平衡的影響，并附了實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的圖像，如圖2所示。滬科版教材［6］則是引入色度傳感器，探究壓強(qiáng)對(duì)化學(xué)平衡的影響，教材呈現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖分別如圖3和圖4所示。實(shí)驗(yàn)方案是：利用色度傳感器，在特定波長(zhǎng)下測(cè)定NO2平衡體系的顏色。從教材中呈現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)曲線可以明顯地看出，縮小體積以增大氣體壓強(qiáng)后，混合氣體顏色先非常迅速地加深，后緩慢變淺，最終重新達(dá)到平衡后，顏色比最初深得多。同樣，擴(kuò)大體積以減小氣體壓強(qiáng)后，混合氣體顏色先非常迅速地變淺，后緩慢加深，最終重新達(dá)到平衡后，顏色比最初淺得多。色度傳感器由于能夠記錄整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中氣體顏色的變化，特別是對(duì)“瞬時(shí)態(tài)”的記錄和最終平衡后氣體顏色的記錄效果非常好。整個(gè)過(guò)程中氣體顏色變化的情況，能夠很好地幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)通過(guò)改變體積來(lái)改變壓強(qiáng)，混合體系的變化由體積變化和平衡移動(dòng)兩個(gè)變化過(guò)程組成，能夠更加全面地理解勒夏特列原理中“減弱這種變化”的真正內(nèi)涵，一線教師對(duì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)的接受度非常高。2對(duì)注射器實(shí)驗(yàn)的質(zhì)疑多年來(lái)，很多教師對(duì)壓強(qiáng)如何影響化學(xué)平衡的實(shí)驗(yàn)開展了大量研究，做了許多嘗試，出現(xiàn)了不同的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方案。但大多還是采用注射器對(duì)NO2平衡體系改變壓強(qiáng)，觀察體系顏色變化的實(shí)驗(yàn)方案，其他方案教材中鮮有涉及。但對(duì)采用注射器改變NO2平衡體系壓強(qiáng)，通過(guò)觀察顏色變化得出結(jié)論存在一定的質(zhì)疑聲。如吳國(guó)慶提出兩種觀點(diǎn)：一是觀察顏色變化與觀察方向有關(guān)，如果觀察方向不同可能會(huì)得出相反的結(jié)果；二是在迅速加壓過(guò)程中會(huì)引起溫度升高，溫度升高也會(huì)引起平衡向生成NO2即氣體顏色加深的方向變化。同時(shí)該文還提出平衡建立過(guò)程很快，因此先物理過(guò)程的“瞬時(shí)態(tài)”是個(gè)假想過(guò)程［7］。孫文利也分析指出將注射器迅速推進(jìn)將引起溫度變化，溫度升高也會(huì)使混合氣體的平衡朝氣體顏色加深的方向移動(dòng)，最后提出不要采用壓縮或拉伸注射器研究壓強(qiáng)對(duì)平衡移動(dòng)影響的觀點(diǎn)［8］。不可否認(rèn)，化學(xué)變化是復(fù)雜的，一個(gè)反應(yīng)往往會(huì)同時(shí)引起多個(gè)物理量的變化，真正做到控制只有一個(gè)變量變化其實(shí)很難。比如，反應(yīng)發(fā)生后除了反應(yīng)物濃度變化外，溫度必然也發(fā)生變化，真正做到溫度絕對(duì)不變其實(shí)很難。因此，通過(guò)實(shí)驗(yàn)定性研究某個(gè)因素影響時(shí)，需要考慮其他因素的影響程度是否可以忽略或者變化的結(jié)果主要是由哪個(gè)因素影響的結(jié)果。例如：0.5mol·L-1氯化銨溶液升溫，水解程度增大引起溶液pH減小，水的電離也會(huì)使溶液的pH減小，顯然水解是主要的。用注射器的壓縮或拉伸過(guò)程，體系壓強(qiáng)改變的同時(shí)溫度也會(huì)改變，那么，溫度對(duì)體系顏色變化的影響程度有多大，是否可以忽略？3注射器壓縮過(guò)程中物系溫度變化的實(shí)驗(yàn)研究3.1測(cè)定注射器壓縮過(guò)程中物系溫度的改變量為減少壓縮過(guò)程反應(yīng)熱效應(yīng)引起溫度的改變，我們選擇以空氣為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，用表面溫度計(jì)測(cè)定將注射器壓縮或拉伸后注射器內(nèi)氣體溫度的改變量。方法是：取一只10mL注射器，將表面溫度傳感器從注射器乳頭部位的細(xì)孔中穿入注射器的空筒中，在注射器中吸滿空氣后用熔膠槍將注射器乳頭封堵密封，再用橡膠塞密封注射器。將表面溫度傳感器連接數(shù)據(jù)采集器，裝置如圖5所示。啟動(dòng)應(yīng)用軟件后，迅速壓縮注射器至氣體體積小于5mL維持注射器栓塞位置不動(dòng)10s以上，記錄過(guò)程中氣體溫度變化情況；再將注射器栓塞迅速拉起來(lái)，記錄過(guò)程中氣體溫度變化情況。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，壓縮或拉伸注射器栓塞確實(shí)會(huì)迅速引起溫度變化，但變化值不大，多次實(shí)驗(yàn)的結(jié)論相近。將注射器氣體體積壓縮至原體積的一半以下或擴(kuò)大至原體積的2倍，溫度變化大約3～5℃，在維持栓塞位置不變的過(guò)程中，溫度的變化比較緩慢。3.2對(duì)比溫度影響NO2（g）的平衡情況將金屬銅與濃硝酸反應(yīng)產(chǎn)生NO2，用兩支10mm×100mm的試管分別收集NO2氣體后，將兩支試管口對(duì)口上下顛倒幾次，盡可能使兩支試管中氣體的顏色深淺一致，再分別用橡膠塞塞緊試管，即在兩試管中建立了相同的NO2（g）平衡體系。取兩只100mL燒杯，一只燒杯中加入100mL室溫下的水，另一只燒杯加入100mL調(diào)節(jié)至一定溫度的熱水，將兩支盛有NO2的試管分別放入兩只燒杯中，如圖6所示，從裝置正面觀察2min內(nèi)顏色的變化情況，并對(duì)比兩支試管中氣體顏色的深淺差異。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)論：當(dāng)高于室溫10℃左右時(shí)，試管內(nèi)氣體顏色變化不明顯，兩支試管內(nèi)氣體顏色的差異不明顯。當(dāng)高于室溫超過(guò)20℃時(shí)，試管能夠觀察到氣體顏色逐漸加深的過(guò)程，浸在熱水中的試管，氣體顏色比浸在冷水中試管內(nèi)氣體顏色略深。當(dāng)高于室溫超過(guò)40℃時(shí)，浸在熱水中試管的氣體顏色迅速變深，當(dāng)溫度超過(guò)50℃時(shí)氣體顏色變深非常迅速，加深的漸變過(guò)程用肉眼很難分辨。因此，用雙球連通管對(duì)比溫度對(duì)平衡的影響時(shí)，建議將兩球溫度差異控制得大些，實(shí)驗(yàn)效果比較好，如圖6所示。4注射器實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可信度分析從實(shí)驗(yàn)情況看，用注射器壓縮或拉伸的方式來(lái)改變壓強(qiáng)，通過(guò)觀察平衡體系顏色的變化研究壓強(qiáng)對(duì)2NO2（g）N2O4（g）平衡的影響，雖然過(guò)程中會(huì)引起溫度的變化，但用10mL注射器即便將體積壓縮至原體積的一半或擴(kuò)大至原體積的兩倍，氣體溫度的改變3～5℃左右。這個(gè)溫度變化范圍引起平衡移動(dòng)導(dǎo)致的氣體顏色變化不明顯，也不迅速［9］。觀察圖4的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，將體積壓縮至原體積的一半或擴(kuò)大至原體積的兩倍，開始的瞬間氣體顏色的變化非常迅速，幾乎沒(méi)有時(shí)間差，將圖4的橫坐標(biāo)放大至50s，得圖7。從圖7也可以發(fā)現(xiàn)開始的瞬間幾乎沒(méi)有時(shí)間差，從吸光度的數(shù)值看氣體顏色至少出現(xiàn)成倍的變化。這樣迅速、成倍的變化應(yīng)該與3～5℃溫度改變關(guān)系不大，隨后可見(jiàn)的顏色變化也應(yīng)該與溫度變化幾乎無(wú)關(guān)。因此用注射器壓縮或拉伸，NO2平衡體系顏色的變化，可以認(rèn)為主要是由壓強(qiáng)改變引起的，溫度的影響可以忽略。滬科版新教材［10］中，用色度傳感器記錄壓縮或拉伸注射器時(shí)平衡體系吸光度的變化，由實(shí)驗(yàn)獲得圖像將實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象總結(jié)為：先加深（或變淺）后變淺（或加深），重新平衡時(shí)比原平衡氣體顏色更深（或更淺），作為壓強(qiáng)對(duì)NO2平衡體系定性影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)論應(yīng)該是可信的。因此，對(duì)曲線圖像做進(jìn)一步的分析，可以幫助學(xué)生更好地理解先顏色的迅速改變是物理過(guò)程為主，后顏色變化是化學(xué)平衡移動(dòng)的結(jié)果。以往教學(xué)中由于沒(méi)有色度或表面溫度傳感器等作為監(jiān)測(cè)手段，無(wú)法觀察或記錄到注射器壓縮或拉伸過(guò)程中瞬間的變化及整個(gè)過(guò)程的變化情況，對(duì)溫度的影響效果也沒(méi)有實(shí)驗(yàn)作支撐，僅從理論上進(jìn)行分析。所以，對(duì)用注射器研究壓強(qiáng)對(duì)NO2（g）平衡體系的影響提出質(zhì)疑是完全可以理解的。5教學(xué)建議在教學(xué)中，教師應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)在進(jìn)行科學(xué)研究時(shí)控制變量是非常重要的研究思想。但一個(gè)真實(shí)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)往往會(huì)受到諸多因素的共同影響，實(shí)驗(yàn)中雖然盡可能地控制其他變量不改變，由于反應(yīng)本身會(huì)引起體系自身多個(gè)物理量的變化，要保證實(shí)驗(yàn)中只有一個(gè)變量變化其他變量不發(fā)生變化其實(shí)很難做到。因此，在實(shí)驗(yàn)中對(duì)其他變量的變化應(yīng)該有一個(gè)科學(xué)的態(tài)度，如果其他變量的影響很小，實(shí)驗(yàn)結(jié)論特別是定性的實(shí)驗(yàn)結(jié)論還是可以接受的［11］。當(dāng)然，如果再結(jié)合理論計(jì)算［12］及相關(guān)數(shù)據(jù)支撐來(lái)說(shuō)明，效果會(huì)更好。教學(xué)中建議教師在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，對(duì)實(shí)驗(yàn)中存在的問(wèn)題不回避，但須做必要的說(shuō)明。從表面溫度傳感器研究的溫度變化看，教材中利用色度傳感器的實(shí)驗(yàn)，研究壓強(qiáng)對(duì)NO2（g）平衡體系的影響是可信的。實(shí)踐表明，實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生進(jìn)一步理解改變體積來(lái)改變壓強(qiáng)，影響化學(xué)平衡的移動(dòng)及移動(dòng)后的結(jié)果會(huì)更有幫助，甚至實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果比理論計(jì)算的教學(xué)效果更為理想。參考文獻(xiàn)：［1］高級(jí)中學(xué)課本·化學(xué)（第二冊(cè)）［M］.北京：人民教育出版社，1984：82.［2］高級(jí)中學(xué)課本·化學(xué)（高一年級(jí)第二學(xué)期）［M］.上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，