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)對平衡移動(dòng)影響實(shí)驗(yàn)的演變、存在的問題和提出的質(zhì)疑。用表面溫度傳感器測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，并通過將盛有相同NO2氣體的試管放在不同溫度的水中，對比溫度對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程中溫度對體系顏色的變化影響不大，以此說明注射器研究壓強(qiáng)對平衡影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)論是可信的。關(guān)鍵詞：壓強(qiáng)對平衡的影響；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)相對單一；二是反應(yīng)體系中氣體物質(zhì)的量兩邊不相同，改變壓強(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（以下簡稱NO2平衡體系）。通過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)對平衡影響的實(shí)驗(yàn)，仍用NO2和N2O4混合氣體為實(shí)驗(yàn)對象，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，對比兩只注射器中氣體顏色的深淺，得出壓強(qiáng)對平衡移動(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，對壓強(qiáng)影響平衡的探究沒有用實(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］中也沒有用實(shí)驗(yàn)來探究，而是用合成氨反應(yīng)的一系列數(shù)據(jù)作為證據(jù)，來分析壓強(qiáng)對平衡移動(dòng)的影響。不過，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，在特定波長下測定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)過程中氣體顏色的變化，特別是對“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)過程中氣體顏色變化的情況，能夠很好地幫助學(xué)生認(rèn)識通過改變體積來改變壓強(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，一線教師對這個(gè)實(shí)驗(yàn)的接受度非常高。2對注射器實(shí)驗(yàn)的質(zhì)疑多年來，很多教師對壓強(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。但對采用注射器改變NO2平衡體系壓強(qiáng)，通過觀察顏色變化得出結(jié)論存在一定的質(zhì)疑聲。如吳國慶提出兩種觀點(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程很快，因此先物理過程的“瞬時(shí)態(tài)”是個(gè)假想過程［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，真正做到溫度絕對不變其實(shí)很難。因此，通過實(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程，體系壓強(qiáng)改變的同時(shí)溫度也會(huì)改變，那么，溫度對體系顏色變化的影響程度有多大，是否可以忽略？3注射器壓縮過程中物系溫度變化的實(shí)驗(yàn)研究3.1測定注射器壓縮過程中物系溫度的改變量為減少壓縮過程反應(yīng)熱效應(yīng)引起溫度的改變，我們選擇以空氣為實(shí)驗(yàn)對象，用表面溫度計(jì)測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，記錄過程中氣體溫度變化情況；再將注射器栓塞迅速拉起來，記錄過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程中，溫度的變化比較緩慢。3.2對比溫度影響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20℃時(shí)，試管能夠觀察到氣體顏色逐漸加深的過程，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50℃時(shí)氣體顏色變深非常迅速，加深的漸變過程用肉眼很難分辨。因此，用雙球連通管對比溫度對平衡的影響時(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改變壓強(qiáng)，通過觀察平衡體系顏色的變化研究壓強(qiáng)對2NO2（g）N2O4（g）平衡的影響，雖然過程中會(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，隨后可見的顏色變化也應(yīng)該與溫度變化幾乎無關(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)中由于沒有色度或表面溫度傳感器等作為監(jiān)測手段，無法觀察或記錄到注射器壓縮或拉伸過程中瞬間的變化及整個(gè)過程的變化情況，對溫度的影響效果也沒有實(shí)驗(yàn)作支撐，僅從理論上進(jìn)行分析。所以，對用注射器研究壓強(qiáng)對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)支撐來說明，效果會(huì)更好。教學(xué)中建議教師在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，對實(shí)驗(yàn)中存在的問題不回避，但須做必要的說明。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NO2（g）平衡體系的影響是可信的。實(shí)踐表明，實(shí)驗(yàn)對學(xué)生進(jìn)一步理解改變體積來改變壓強(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］高級中學(xué)課本·化學(xué)（第二冊）［M］.北京：人民教育出版社，1984：82.［2］高級中學(xué)課本·化學(xué)（高一年級第二學(xué)期）［M］.上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，