书城自然科学动手做实验丛书--高级化学实验改进设计实践
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第4章 关于反应平衡理论的实验操作和改进(1)

压强(浓度)对化学平衡影响的演示实验

为了加深巩固压强(浓度)对化学平衡的影响,崇明县崇明中学卢耀棠老师通过课外兴趣小组的活动进一步改装成一个演示实验,现介绍如下:

实验原理:

ICl(褐色液态)+Cl2(黄绿色气态)ICl3(黄色固态),根据上列反应式中氯气压强(浓度)的大小(从气压计中的读数表示),通过观察反应物ICl(褐色液态)和生成物ICl3(黄色固态)的颜色变化判断压强(浓度)对化学平衡的影响。

实验装置:

实验操作:

(1)在锥形瓶中放置适量的结晶碘,通入干燥、纯粹的氯气,使结晶碘全部生成褐色液态的ICl为止(不宜通入过多氯气,防止生成黄色固态ICl3。若有ICl3产生,可用洗耳球在锥形瓶口鼓气吹去多余的氯气,能除去ICl3)。尾气经氢氧化钠溶液吸收。

(2)将制备有ICl的锥形瓶跟预先装有干燥、纯粹氯气的注射器用短柄皮管连接,并接上气压计。

(3)推压注射器的活塞将氯气注入锥形瓶中。此时,锥形瓶中随着氯气的压强(浓度)增大(从气压计中CuCl2溶液的液面下降表示出来),在瓶壁和瓶底上逐渐生成黄色固态的ICl3。

(40若用注射器逐渐抽去锥形瓶中的部分氯气,压强变小,可观察到黄色固态ICl3的量逐渐减少;褐色液态ICl的量逐渐增多。当停止注射器的活塞运动,即在某一压强时(设温度保持不变),体系呈平衡状态。

(5)如果将锥形瓶从装置系统中彻离出来(呈敞开体系),倘若向锥形瓶中通入干燥、纯粹的氯气,则褐色液态ICl全部转变成黄色固态ICl3。若用洗耳球向锥形瓶中鼓气吹去所有氯气,则黄色固态ICl3全部转变为褐色液态ICl。

结尾语:

使用一氯化碘跟氯气反应,作为介绍压强(浓度)对化学平衡的影响与二氧化氮和四氧化二氮的平衡的演示实验,两者比较起来,前者较为理想,而且效果明显。同时前者的体系中既有液态物质,又有固态物质。可以了解它们的体积受压强的影响很小。

压强对化学平衡的影响实验的改进

实验原理:

磷酸的第一级电离常数K1=752×10-3,而亚硫酸的K1=154×10-2,磷酸的酸性比亚硫酸稍弱。所以,当磷酸与亚硫酸钠混和后,混和液中发生了一连串复杂的多步反应,最后达成互相关联的多个平衡。在平衡混和体系中,含有多种酸式盐、酸和正盐。但对于中学生,可以用简化的一个平衡反应式给他们介绍:

2H2PO4+NaSO32NaH2PO4+H2O+SO2由于亚硫酸的酸性略强,所以,在通常状况下放出的二氧化硫气体较少,大量的二氧化硫“储存”在多步互相关联的平衡混和体系中。当减小平衡混和物的压强时,多步平衡都向右移动,产生大量的二氧化硫气体;再加大压强时,多步平衡又都向左移动,产生的二氧化硫气体又很快溶解。结合上述简化的平衡反应式分析,则可得出压强对平衡的影响规律。

实验装置及操作:

取25×200mm大试管一支,配上单孔塞并与50cc的注射器相连。大试管内盛20%的磷酸溶液达试管容积的四分之三,再加入约相当于磷酸溶液体积五分之一的无水亚硫酸钠粉末,然后,立即塞住管口并上下颠倒试管,使亚硫酸钠粉末大部分溶解。四川射洪县中学黄世述老师进行实验时,先外拉注射器活塞,可看到大量白色泡沫自溶液中迅速勃起,甚至涌进导管;再向内压注射器活塞,白色泡沫立即全部消失。此实验所需试剂都可在课堂上临时加入,操作非常简便。

几点注意事项:

(1)实验前装置内留下的气体空间应适当小些,这样能使装置内气压的升降幅度大,效果更显着。为达此目的,大试管内混和液上部空间只宜占试管容积的五分之一左右;注射器活塞应事先向内推至尽头;导气管的长度也应在20cm以内。

(2)实验进行时,最好在大试管背面衬一块深色底板,以使学生对白色泡沫的产生和消失看得更加清楚。

(3)在磷酸溶液中事先加入几滴海鸥洗涤剂,以使产生的二氧化硫泡沫不易破裂。这样,在推拉注射器活塞时可从容不迫。

压强对化学平衡影响实验的改进

①将两个150ml连通的充有二氧化氮气体的圆底烧瓶(A、B)固定在铁架台上,叫学生观察。

连通的目的是为了使学生看到两个烧瓶中的二氧化氮处于相同的条件下,且浓度相同。

②拆去A、B两个烧瓶之间的连通管,将导气管口夹好,勿使烧瓶中二氧化氮外逸。

③在一个250ml的圆底烧瓶(C)中放入5ml四氯化碳,在酒精灯上加热,待烧瓶中的空气被赶尽后,迅速与A瓶连接好。当C瓶冷至室温时,四氯化碳又变为液体,烧瓶C中形成真空,打开A瓶导气管的夹子,可以看到二氧化氮迅速从A瓶扩散到C瓶中。在一瞬间,因体积扩大造成二氧化氮浓度降低,至使颜色变浅。约一、两秒钟后,颜色又变深,最后A、C两瓶中二氧化氮的颜色与B瓶的颜色无有多大差别,表明A瓶中二氧化氮的浓度又与原来的浓度相近,这就说明了反应:2NO2N2O4随着压强的减小,平衡向左发生了移动,至使二氧化氮增多。

④再取一个250ml的圆底烧瓶(D),放入5ml四氯化碳,按着3的做法与B瓶连接好,当B、D瓶的颜色与A、C瓶的颜色相同时,打开D瓶排气导管的水止夹,待空气压入后,(压强亦随之增大),再夹好。(此过程二氧化氮不会外逸)可以看到B、D瓶瓶的颜色要比A、C瓶浅得多,说明了B、D中的二氧化氮减少了。由此可知反应:2NO2N2O4随着压强的增大,平衡向右发生了移动。

演示压强对平衡影响的新途径

高中化学教材上,压强对平衡影响的演示实验效果不明显,上海南汇县周浦中学朱钟英、薛齐林老师另辟蹊径,采用光电比色法,效果显着。

实验原理:

NO2与N2O4混和气体的吸光度与NO2的浓度成正比。

实验用品:

581-G型光电比色计、100毫升注射器、10公分凸视镜(a)(用于放大吸光度读数)、铜片、浓HNO3、555玻璃胶、自制泡塑透镜座(b):

实验步骤:

(1)在比色皿A、B中各充入少量和较多量的NO2,用橡皮塞封口,分别测出吸光度。用下表向学生介绍NO2浓度与吸收度成正比的原理,并解释比色皿中虽含有空气,但因空气无色,且不与NO2、N2O4反应,所以不会影响实验结果。实验数据如下:

比色皿混和气体颜色[NO2]吸光度A浅大0095B深小0200(2)给比色皿c配制带弯玻管的单孔塞,塞子外涂上玻璃胶避免加压时漏气。注射器内吸入约45毫升NO2,用2厘米长的短橡皮管连接到比色皿c上。将注射器活塞来回抽动若干次,使比色皿和注射器内颜色一致。

(3)把比色皿c推入光路,改变压强,测定吸光度。

状态吸光度[NO2]分析和结论

加压前0185加压时0250变大因为气体体积突然变小,所以[NO2]变大。

加压后达到新平衡时0230变小平衡向生成N2O4的方向移动。由此可见,加大压强时,平衡向气体体积缩小的方向移动。

减压时0140变小因为气体体积突然变大,所以[NO2]变小。

减压后达到新平衡时0155变大平衡向生成NO2的方向移动,由此可见,减小压强时,平衡向气体体积增大的方向移动。

优点:

(1)教材只演示加大压强时,混和气体的颜色先变深后变浅,这种说法是不够准确的。在光电比色法中,根据加压后达到新平衡时的吸光度023大于加压前的吸光度0185,可以充分说明,加压后气体颜色先变深后变浅,但这个浅色仍比加压前要深。减压时情况类似。

(2)重复性好。重复此实验时,吸光度虽会有不同,但改变压强时吸光度的变化规律始终是一致的。

关于浓度对化学平衡移动影响实验的一个误解

在说明浓度对化学平衡移动影响的实验时;有的书中所采用的化学反应方程是:

FeCl3+3KCNSFe(CNS)3+3KCl(血红)书中试图用增加KCl的浓度,溶液的血红色变浅来说明“增加生成物的浓度,使化学平衡向逆反应方向移动”的道理。有的老师在讲这个问题时,也选用了这个实验。我认为这是一种误解。现在西安师范学校高世雄老师从下面三个方面加以论证说明之。

(1)从电解质溶液化学反应的实质来看由于离子方程式标志着电解质在溶液里所起的化学变化的实质,上面这个化学反应的离子方程式是:

Fe3++3CNS-Fe(CNS)3(血红)由离子方程式我们可以认为,强电解质KCl(其电离方程式为:KCl=K++Cl-)在这里没有参加反应,因而它与该反应的化学平衡的移动无关。因此对于溶液中的可逆反应来说,应用化学平衡移动原理说明平衡移动方向只适用于加入弱电解质溶液。

(2)从化学实验的结果来看由FeCl3和KCNS溶液制得的含血红色的Fe(CNS)3溶液,均分为三份,分别加入等量的NaNO3、Na2SO4、KCl这些强电解质晶体,摇荡片刻后,我们看到三个试管中的血红色均变浅(当然,还可以加入不含K+和Cl-的其他强电解质,其效果与加KCl晶体相同)。然而在其分子方程式的产物中,却并没有NaNO3和Na2SO4等物质。这就从另一方面否定了前面那种误解的说法。

(3)从强电解质溶液理论的推导来看由于KCl、NaNO3、Na2SO4等均属强电解质,它们的加入使溶液中带电荷的离子浓度增加,静电效应增强,溶液的离子强度(其计算公式是I=12∑miZ21)增加,根据德拜-尤格尔极限公式:

togri=-0509Z21I可知溶液中Fe3+和CNS-离子的活度系数减少,由活度公式ai=rimi,得到Fe3+和CNS-离子的活度减小,故有Fe(CNS)3的解离度增加,溶液的血红色变浅。由此可知,用增加强电解质KCl溶液的浓度,溶液的血红色变浅不能说明“增加生成物的浓度,使化学平衡向逆反应方向移动”的道理,它只不过是一种“盐效应”罢了。

温度对化学平衡影响的实验

在现行高级中学化学教材中,都以装置来讨论温度对化学平衡的影响,两上连接着的烧瓶里都盛有二氧化氮跟四氧化二氮达到平衡的混和气体。然后用夹子夹住橡皮管,把一个烧瓶放进热水里,把另一个烧瓶放入冰水(或冷水)里。根据所观察到混和气体颜色的变化和热化学方程式:

2NO2N2O4+136千卡(棕色)(无色)可以知道,混和气体受热颜色变深,说明二氧化氮浓度增大,平衡向逆反应方向移动,混和气体被冷却,颜色变浅,说明二氧化氮浓度减小,平衡向正反应方向移动。紧接着教材作了下面一段叙述:“由此可见,在其他条件不变的情况下,温度升高,会使化学平衡向着吸热反应方向移动,温度降低,会使化学平衡向着放热反应的方向移动。”

那么,在上述实验中,除温度改变外,其他条件是否有变化呢?下面毛春苈老师就此实验作以下分析。根据上面的热化学方程式可知:当已达平衡的NO2和N2O4气体混和物受热时化学平衡向逆反应方向移动,即向生成NO2的方向移动,所以混和气体颜色变深。由于分子数增多,容积没变,因此压强较始态时的压强为大。被冷却的混和气体,化学平衡向正反应方向移动,即向生成N2O4的方向移动,混和气体颜色变浅。由于分子数减少,容积没变,因此压强较始态时的压强减小。可见内压发生了变化。因而“由此可见,在其他条件不变的情况下”说法是不确切的。

如果我们作下面的一些分析和推理,还是可以得出“在其他条件不变的情况下……”的结论的。

当加热,平衡向逆反应方向移动时,随NO2增加,混合气体颜色变深,但同时,压强也在增加,由于压强的增加抑制了NO2的增加,又要阻止混和气体颜色变深,即使这样,实验表明总的结果仍然是气体颜色较始态颜色深,这说明平衡还是向逆反应方向移动了,即使让压强不变(使容积加大)颜色也会变深。同理,当冷却时,平衡向正反应方向移动,随N2O4的增加,混和气体颜色变浅,同时压强减小,抑制N2O4的生成,又阻止了混和气体颜色变浅,但实验表现,总的结果还是较始态颜色浅,说明平衡还是向正反应方向移动了,如果让压强不变(容积变小),只会更有利于N2O4的生成,颜色也会变浅。这样就可以得出压强不变的情况下,温度对平衡移动影响的结论。

全日制十年制高中化学第一册“教学参考书”建议可改用下述方法进行:取250毫升圆底烧瓶三个。分别装入NO2,使三者的颜色基本相同,塞上塞子。将第一个烧瓶放入盛热水的烧杯里,第二个放入装冰水混和物的烧杯里,第三个放,空气中作对照用。观察第一、第二两个烧瓶里气体颜色的变化,还可以将第一、第二两个烧瓶对调它们所放的烧杯,更有说服力。但仍然不能直接得出“其他条件不变的情况下”的结论。也需要做些分析和推理才行。

用装置来讨论温度对化学平衡移动的影响较为合适,将连通的两个烧瓶装入混合气体,分别放入热水和冷水。放入热水的烧瓶温度升高,有利于N2O4转化为NO2,所以气体颜色变深,压强增大。冷水中的烧瓶里气体则是向有利于生成N2O4方向转化,颜色变浅,压强减小。连通的目的就在于:使两个烧瓶内压相同,这样两个烧瓶内压始态相同,终态也相同,也就是说,两个烧瓶里的压强改变量是一样的。如果改变量非常小就可看成等压情况。总之,我们可以得出“在其它条件相同的情况下,温度升高,会使化学平衡向着吸热反应方向移动,温度降低,会使化学平衡向着放热反应的方向移动”的结论。

但要注意,连通的两个烧瓶容易被认为是一个平衡体系。其实,由于连通的导管较细,又加上使2NO2N2O4达到平衡所需时间是极短的,所以在演示实验时间内,每个烧瓶仍可看成是一个独立的平衡体系。

温度与化学平衡的实验装置的改进

高中化学课本下册第11页[实验1-6],如果按照教材装置操作,存在如下不足:①原仪器连接中使用了橡皮塞和橡皮管,很容易被腐蚀,不易久存,只能在使用时临时组装。②由于没有进行对比实验,使得混合气体被冷却时现象不太明显。山东省沂水二中马骥、张廷才老师在教学实践中对上述装置进行了改进,大大缩短了准备实验的时间,同时使实验效果更佳。