利用传感器探究压强对化学平衡移动影响

利用传感器探究压强对化学平衡移动影响

王永飞1  张磊2

宁夏六盘山高级中学 宁夏 银川 750002

摘要：化学平衡是高中化学的重难点内容，是培养学生变化观念与平衡思想核心素养的重要载体，而反应条件对化学平衡的影响又是其中重要的组成部分。对于压强对平衡移动的影响在鲁科版新教材中只是从Q、K关系的角度进行了理论分析，简单介绍了色度传感器的应用。缺乏实验支撑，学生理解困难。因此笔者通过压强传感器探究压强对化学平衡移动的影响，并设计了对比实验排除在改变体系压强时温度变化对平衡体系的影响，运用传感技术定性、直观、科学的分析了压强与平衡移动的关系，完成了从宏观辨识到微观探析的探究，填补了教材中的实验空缺，也加深了学生对学科知识的理解，提升了学生探究问题的能力。

关键字：平衡移动  压强  传感器

1.问题的提出

化学平衡是高中化学中重要组成部分，是发展学生变化观念与平衡思想核心素养的重要载体，在鲁科版新教材中设置了活动探究栏目引导学生用二氧化氮平衡球实验探究温度对化学平衡的影响，用FeCl3与KSCN的反应来探究浓度对化学平衡的影响，压强也是影响化学平衡移动影响的重要因素，教材中只是从Q、K关系的角度进行了理论分析，简单介绍了色度传感器的应用，并没有完善的实验探究压强对平衡移动的影响，造成学生理解困难，容易形成迷思概念。

人教版新教材中设置了相应的实验，将二氧化氮气体充入注射器中，通过推拉活塞改变注射器体积，进而改变体系压强，通过颜色深浅变化来判断平衡移动的方向。而在实际实验时混合气体的颜色变化观察起来比较困难，这就对学生的学习造成了一定的困扰，那么如何设计实验解决这一问题呢？我们可以借助压强传感器将实验定量化。

2.借助压强传感器定量分析

传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。而压强传感器就可以将压强变化的信号以图像和数据的形式清晰的表现出来，实现了实验的可视化。

人教版教材中通过观察注射器内颜色变化并不明显，我们可以将其改进，连接压强传感器定量观察推拉活塞过程中压强的变化，实验内容如下：在注射器中充入二氧化氮（存在的平衡）气体，将注射器连接在压强传感器上，通过推动活塞减小注射器体积以增大压强或拉动活塞增大注射器体积以减小压强，观察实验过程中压强的变化进而判断平衡移动的方向。实验结果如图所示

图一：增大压强            图二：减小压强

上述实验结果显示，对于的反应，压缩体积，体系压强突然增大后又减小；增大体积，体系压强突然减小后又增大，对于后半段图像的变化是否能解释为增大压强，平衡向气体分子数减小的方向移动所以压强出现减小趋势，而减小压强平衡向气体分子数增大方向移动所以出现压强增大的趋势呢？

我们又做了如下的实验

通过上述四个实验：我们发现空气与二氧化碳并不存在平衡体系，但在改变压强的时候也出现了与二氧化氮同样变化趋势的图像。说明通过推拉活塞改变注射器体积监测压强变化是不能准确判断平衡移动方向的。

那么空气和二氧化碳为什么也会出现类似的变化趋势呢？原来在推拉活塞的过程中还存在着温度的变化。突然推动活塞压强增大的同时也对气体做功，使得体系温度升高气体受热膨胀，在温度回落的过程中，气体又恢复到原来的状态。所以出现了压强突然增大后又减小的变化。突然拉动活塞增大体积，压强减小的同时气体对外做功导致温度减小，在温度回升的过程中，气体恢复原来状态，所以出现了压强突然减小后又增大的变化。

3.设计对照实验探究压强对化学平衡移动的影响

推拉活塞在压强改变的同时也会改变温度，那么如何排除推拉活塞过程中温度的变化对实验的影响呢？我们可以设置对照实验，将二氧化氮这样存在平衡的气体和二氧化碳以及空气这样的无平衡气体进行对比。控制初始压强相同。通过推拉活塞同等倍数的改变三种气体体系压强。比较压强最终稳定后的数值，进而判断二氧化氮体系平衡移动的方向。以下是我们的实验：

表1：增大体系压强，所得实验数据及图像

表2：减小体系压强，所得实验数据及图像

为了减小误差，我们要进行多次实验。并且最好使用同一注射器进行多次实验以消除摩擦系数不同对实验的影响。下面将实验数据进行汇总

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表3：增大压强平衡后压强最终读数

结论：控制三种气体初始压强相同。压缩体积，同等倍数增大压强，最终稳定后三种气体三次实验最终压强数据如上表3所示，我们发现稳定后二氧化氮的压强整体小于空气与二氧化碳的压强，说明增大压强反应向生成四氧化二氮的方向进行，即平衡向气体分子数减小的方向进行。

表4：减小压强平衡后压强最终读数

结论：控制三种气体初始压强相同。增大体积，同等倍数减小压强，最终稳定后三种气体三次实验最终压强数据如上表4所示，我们发现稳定后二氧化氮的压强整体大于空气与二氧化碳的压强，说明减小压强反应向生成二氧化氮的方向进行，即平衡向气体分子数增大的方向进行。

4.实验结论

根据上述实验，结合勒夏特列原理，改变压强对化学平衡移动的影响是：增大压强，平衡向气体分子数减小的方向进行；减小压强，平衡向气体分子数增大的方向进行。

5.反思

化学是一门以实验为基础的科学，在教师的日常教学中，要学会结合实验等手段挖掘教学素材来改进教学，从而填补教材的空缺，更能激发学生的学习兴趣，从而更好培养学生的化学学科核心素养

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