书城教材教辅中学化学课程资源丛书-化学素质培养
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第11章 平衡理论的相关实验(1)

压强(浓度)对反应平衡的影响

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:

1.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。

2.实验装置:

3.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的锥形瓶按上图装置跟预先装有干燥、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。如时,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。

(4)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。

4.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。

“压强对反应平衡影响”的改进实验

1.实验原理:

磷酸的第一级电离常数K1=7.52×10-3,而亚硫酸的K1=1.54×10-2,磷酸的酸性

比亚硫酸稍弱。所以,当磷酸与亚硫酸钠混合后,混合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。在平衡混合体系中,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见面: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合体系中。当减小平衡混合物的压强时,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。

2.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设计的装置如图。

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。

3.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,效果更显著。为达此目的,大试管内混合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(如图1),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(如图2)。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。

图1图2

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。

“压强对平衡影响”的演示新方法

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著。

1.实验原理:

NO2与N2O4混合气体的吸光度与NO2的浓度成正比。

2.实验用品:

581—G型光电比色计、100ml注射器、10cm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),如图所示:

3.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:比色皿混合气体颜色[NO2]吸光度

A浅大0.095

B深小0.200

(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0.185

加压时0.250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0.230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0.140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0.155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。

4.优点:

(1)教材只演示加大压强时,混合气体的颜色先变深后变浅,这种说法是不够明确的。在光电比色法中,根据加压后达到新平衡时的吸光度0.23大于加压前的吸光度0.185,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。

浓度对平衡移动的一个误解