化学实验设计压强对化学平衡影响实验的探究

化学实验设计压强对化学平衡影响实验的探究

当今我国有多套中学化学新教材引入了用注射器来做

“压强对化学平衡影响”的实验，如全国发行的苏教版“实

验化学”选修教材(P59)就以问题探究模式设置了这一实验

内容。在该教材中“压强对化学平衡的影响”实验的编写是

从学生的原有认知出发，让他们通过对实验现象的分析和思

考，结合所学理论对实验条件与现象的关系作出科学的解

释。特别是当用注射器推压或抽拉 NO2 气体时，产生的颜色

变化会受到平衡移动、观察角度以及热效应等综合因素的影

响，这会使得学生对于这个看似简单的实验，产生惊讶、疑

惑、猜测等，并会在寻觅正确答案的过程中，获得深刻的认

识。

事实上，对于苏教版“实验化学”教材 P59 的图 4-10 中所

绘的注射器中的 NO2 颜色深浅之变化，常存在争议。教材图

示中左侧注射器和右侧注射器中的气体颜色较接近，从文字

叙述来讲，NO2 气体在压缩后(其他条件不变)，颜色会先变

深再变浅，这点没有疑问。但实验时若按教材上第 59 页的

画法来观察 NO2 颜色的话(即通过注射器弧形外壁直接观

察)，则不仅很难如意看到 NO2 气体分子总数量有所减少，

相反，到完全平衡时(内部温度恢复原状)，NO2 颜色反而会

变得比压缩前略深些。这主要与观察方向有关，因为注射器

在压缩气体时，压强增大，使平衡朝体积减少的方向移动，

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故 NO2 的分子数减少，而同时随着注射器内气体的压缩，观

察面积也在减少，导致单位面积上观察到的 NO2 分子数比压

缩前反而要多，所以颜色略深。

现以一个对照实验来作进一步的说明，图 1 是该对照实验的

三组实物照片，三组照片是同一对注射器在一起推或拉时拍

下的对照照片，每组中的上一支注射器装有 NO2，下一支装

有 Br2。第一组两注射器中气体颜色深度相近，从理论上推

算，压缩后两者体积相同时，NO2 颜色应比 Br2 要浅，压缩

后 NO2 颜色也比压缩前 NO2 颜色浅。但从实物照片上可看出

压缩后的气体(包括 NO2)比没压缩时都要深。照片上第三组

为两支注射器抽拉减压到相同体积，可以看出 Br2 的颜色是

最浅的，NO2 减压后颜色比 Br2 深些，但比前两次 NO2 颜色

都浅。理论上，当抽拉时压强减少，NO2—N2O4 平衡体系往

体积增大的方向移动，NO2 的分子数增多，颜色应该最深，

但是由于抽拉时，观察面积增大，单位观察面积上的分子数

反而减少，所以颜色反而变得最淡。

因此通过注射器弧形外壁直接观察的方法本身存在着缺陷。

对此教师演示时可以用 Br2 作对比来校证实验现象的“异

常”。

“实验化学”教材 P59 的图可以说是有意引伸出一些问题和

相关的“异常现象”，接着该教材在 P60 的学生作业栏中，

出了一道关于该实验观察方法的探讨题，题目为:“当进行

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压强对化学平衡影响的实验时，请设想如果在改变压强的过

程中，从注射器的顶端(见下图)观察针筒内气体颜色的变

化，可以得到怎样的结论?与其他的观察方法比较，那种观

察方法更科学、更合理?为什么?”该探讨题与 P59 的实验图

前后呼应，出得很有意义。

在该题讨论中，学生一定要考虑到气体体积、压强、温度等

因素与化学平衡的关系，还要考虑到气体体积变化导致的颜

色变化与观察角度之间的关系，其间还涉及到圆柱体体积及

其面积等的计算。

当然教师通过图 2 的对照实物进行探讨和验证，无疑会起到

事半功倍之作用。

该题的正确答案应该是:“用 P60 图示的方法(即从注射器顶

端，朝活塞方向观察)是更科学、更合理的。因为注射器内

如果装入的是 Br2(不存在平衡移动)，那么压缩也好，抽拉

也好，体积再变，其中的溴分子总数也不变，这些分子通过

同一面积(注射器顶端圆形面积不会变)来观察、比较，显然

颜色也不会有深浅差异，因此通过注射器做压强对

NO2—N2O4 平衡体系的影响实验时，也应选择观察面积不变

的观察方式，即从注射器顶端进行观察，这样才能明显地观

察到由于 NO2 分子总数的变化而引起的颜色变化，即压缩颜

色变浅，抽拉减压颜色变深，从而使理论和实际相一致。

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