肖中榮 周萍

摘要： 選擇氨氣和氯化氫反應(yīng)為體系，向50mL氨（氣）分別注入30mL、 50mL的HCl氣體，用溫度傳感器和壓強(qiáng)傳感器繪制壓強(qiáng)-時(shí)間（P-t）曲線、溫度-時(shí)間（T-t）曲線，記錄反應(yīng)速率的變化;向體積相同的氨（氣）中充入氯化氫氣體越多，P-t、 T-t曲線越陡，曲線最高點(diǎn)的ΔP/Δt與ΔT/Δt量值越大，呈現(xiàn)壓強(qiáng)越大反應(yīng)速率越大的現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞： 反應(yīng)速率; 壓強(qiáng)影響; 傳感器實(shí)驗(yàn); 實(shí)驗(yàn)探究

文章編號： 1005-6629（2021）10-0075-03

中圖分類號： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

影響化學(xué)反應(yīng)速率的外界因素有濃度、壓強(qiáng)、溫度和催化劑等。人教版化學(xué)選擇性必修1《化學(xué)反應(yīng)原理》第二章第一節(jié)“化學(xué)反應(yīng)速率”安排了濃度、溫度、催化劑影響反應(yīng)速率的演示實(shí)驗(yàn)，沒有安排壓強(qiáng)影響反應(yīng)速率的實(shí)驗(yàn)，但在章節(jié)“整理與提升”欄目卻要求學(xué)生填寫壓強(qiáng)對反應(yīng)速率的影響[1]。蘇教版《化學(xué)反應(yīng)原理》也沒有安排演示實(shí)驗(yàn)，只是進(jìn)行了理論描述： 密閉恒溫容器中對于氣體參加的反應(yīng)，增大壓強(qiáng)相當(dāng)于增大反應(yīng)物濃度，使反應(yīng)速率增大[2]。由于學(xué)生缺乏通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象直觀理解壓強(qiáng)對速率的影響，故弱化了教學(xué)效果。

1? 有關(guān)的文獻(xiàn)評述

中國知網(wǎng)收錄了一篇壓強(qiáng)影響速率的實(shí)驗(yàn)演示文獻(xiàn)[3]： 用點(diǎn)燃的細(xì)香插入預(yù)先收集有一定濃度氧氣的密閉容器，注射器注入蒸餾水以減少容器容積、增大氧氣濃度，觀察細(xì)香由暗變亮的燃燒現(xiàn)象，說明增大壓強(qiáng)反應(yīng)速率增大。實(shí)驗(yàn)原理雖簡單，但操作難度較大（氧氣濃度一般控制在47%左右才能觀察到明顯現(xiàn)象），實(shí)驗(yàn)成功率較低，不適合作為課堂教學(xué)的演示實(shí)驗(yàn)。

2? 利用傳感器探究壓強(qiáng)對氨與氯化氫反應(yīng)速率的影響

氨氣和氯化氫生成氯化銨的知識在人教版必修2教材[4]已出現(xiàn)，本文利用此知識點(diǎn)作為反應(yīng)原理探究壓強(qiáng)對反應(yīng)速率的影響，可以充分發(fā)揮已學(xué)知識的價(jià)值，減輕學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷。實(shí)驗(yàn)通過壓強(qiáng)和溫度傳感器精確捕捉反應(yīng)過程中壓強(qiáng)和溫度的變化，基于“宏觀—微觀—曲線”三重表征的比較、分析不同壓強(qiáng)下的反應(yīng)速率的大小，呈現(xiàn)壓強(qiáng)對反應(yīng)速率的影響，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究、證據(jù)推理的素養(yǎng)。

2.1? 實(shí)驗(yàn)原理

HCl（g）+NH3（g）NH4Cl（s）， ΔH<0? ΔS<0，反應(yīng)速率較快，反應(yīng)過程體系壓強(qiáng)、溫度均會發(fā)生變化，可用壓強(qiáng)和溫度隨時(shí)間的變化描述反應(yīng)速率;改變反應(yīng)物的體積可以探討壓強(qiáng)對化學(xué)反應(yīng)速率的影響。

2.2? 實(shí)驗(yàn)儀器和裝置

100mL、 50mL三頸燒瓶若干支，100mL、 50mL、 30mL玻璃針筒若干支，19#、 14#橡皮塞，溫度傳感器（LW-T801，量程-20～+130℃），壓強(qiáng)傳感器（LW-T722，量程0～700kPa），數(shù)據(jù)采集器，DISLab8.0軟件，制備收集NH3、 HCl氣體的裝置。主要實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

2.3? 實(shí)驗(yàn)藥品

濃鹽酸，濃硫酸，氫氧化鈉固體，濃氨水，堿石灰等

2.4? 實(shí)驗(yàn)操作

如圖1所示，在三頸燒瓶中間管口插入壓強(qiáng)傳感器，左側(cè)管口插入溫度傳感器。

收集一定量干燥的NH3（體積記為V1）于三頸燒瓶中，右側(cè)管口用橡皮塞密封，固定到鐵架臺上。開啟電腦并將傳感器通過數(shù)據(jù)采集器與電腦相連，打開DISLab8.0軟件，選擇“通用軟件”點(diǎn)擊開始，軟件程序自動識別出溫度傳感器和壓強(qiáng)傳感器。設(shè)置采集圖線左邊Y軸為壓強(qiáng)坐標(biāo)，右邊Y軸為溫度坐標(biāo)，采集頻率為5/s，采集數(shù)據(jù)表格間隔0.2s，采集時(shí)長約10min。用玻璃針筒收集一定量干燥的HCl氣體（體積記為V2）。先點(diǎn)擊“啟動采集”，迅速將HCl氣體從三頸燒瓶的右側(cè)管口全部注入（因?yàn)槁然瘹涞拿芏却笥诎钡拿芏龋焖僮⑷肼然瘹錃怏w，便于充分混合氣體;但注氣速度不要太快、防止內(nèi)壓過大蹦出橡皮塞）。電腦記錄軟件中圖線的變化，當(dāng)溫度和壓強(qiáng)的曲線基本趨于平穩(wěn)，停止采集并保存P-t曲線、T-t曲線，對曲線進(jìn)行數(shù)學(xué)處理，分別求出曲線最高點(diǎn)的ΔP/Δt和ΔT/Δt量值。

2.5? 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與數(shù)據(jù)記錄

（1）V1=50mL NH3、 V2=30mL HCl體系起始壓強(qiáng)為96.8kPa（a點(diǎn)）。將HCl氣體注入三頸燒瓶壓強(qiáng)增大，當(dāng)HCl氣體完全注入后體系壓強(qiáng)最大為134.3kPa，同時(shí)產(chǎn)生大量白色固體，壓強(qiáng)隨之減小，反應(yīng)結(jié)束后壓強(qiáng)降為71.6kPa（d點(diǎn)）。體系起始溫度為18.5℃（f點(diǎn)），反應(yīng)放熱溫度升高，最高溫度為38℃（h點(diǎn)）（壓強(qiáng)降到最低時(shí)溫度幾乎上升到最高），然后溫度慢慢降低，反應(yīng)結(jié)束溫度T2為35℃（i點(diǎn)）（截圖上顯示的是反應(yīng)結(jié)束后一段時(shí)間的溫度，此時(shí)溫度高于起始溫度，下同），如圖2所示。

P-t曲線圖、T-t曲線圖

（2）V1=50mL NH3、 V2=50mL HCl體系起始壓強(qiáng)為97.4kPa，將HCl氣體注入三頸燒瓶壓強(qiáng)增大，當(dāng)HCl氣體完全注入體系后壓強(qiáng)最大為143.3kPa，同時(shí)產(chǎn)生大量白色固體，壓強(qiáng)隨之減小，反應(yīng)結(jié)束后壓強(qiáng)為51.1kPa。體系起始溫度為22.9℃，反應(yīng)放熱溫度升高，最高溫度為67.1℃（壓強(qiáng)降到最低時(shí)溫度幾乎上升到最高），然后溫度慢慢降低，反應(yīng)結(jié)束溫度T2為49.2℃，如圖3所示。

2.6? 現(xiàn)象分析與結(jié)論

對圖2進(jìn)行“宏觀-微觀-曲線”三重表征分析，如表1所示。

將圖2、圖3的P-t曲線圖、T-t曲線圖整合得到圖4、圖5。

計(jì)算圖4、圖5的曲線最高點(diǎn)的ΔP/Δt、 ΔT/Δt量值，如表2所示。

分析上述曲線和數(shù)據(jù)表格，可以得出如下結(jié)論：

（1） NH3和HCl反應(yīng)的P-t曲線、T-t曲線可以精確記錄反應(yīng)速率先變大后減小的變化。

（2） 氨的體積相同時(shí)充入氯化氫氣體越多，P-t、 T-t曲線越陡，曲線最高點(diǎn)的ΔP/Δt與ΔT/Δt量值越大，說明此時(shí)的反應(yīng)速率越大。

做了多組平行實(shí)驗(yàn)探究（如V1=100mL、 V2=50mL; V1=100mL、 V2=100mL），曲線形狀與實(shí)驗(yàn)（1）、（2）的曲線形狀相似，實(shí)驗(yàn)重現(xiàn)性好。

說明： 實(shí)驗(yàn)均在室溫20℃左右進(jìn)行，注入HCl氣體壓縮三頸燒瓶氣體做功，影響體系的溫度與壓強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)誤差不可避免，平行實(shí)驗(yàn)獲得的曲線圖像是相同的，不影響實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

以氨氣和氯化氫氣體為反應(yīng)體系，用壓強(qiáng)傳感器和溫度傳感器精確捕捉反應(yīng)過程中壓強(qiáng)和溫度隨時(shí)間的變化，繪制P-t、 T-t曲線，描述反應(yīng)速率的變化。向同體積氨氣充入氯化氫氣體體積越大，P-t、 T-t曲線越陡，曲線最高點(diǎn)對應(yīng)的ΔP/Δt與ΔT/Δt量值越大，直觀演示了“恒容密閉容器中，有氣體參與的化學(xué)反應(yīng)，增大壓強(qiáng)反應(yīng)速率增大”的現(xiàn)象。

本實(shí)驗(yàn)可以選作課堂演示實(shí)驗(yàn)或?qū)W生課外探究實(shí)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]人民教育出版社，課程教材研究所. 普通高中教科書·化學(xué)反應(yīng)原理[M]. 北京： 人民教育出版社， 2020： 50.

[2]王祖浩主編. 普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書·化學(xué)1[M]. 南京： 江蘇鳳凰出版?zhèn)髅郊瘓F(tuán)， 2012： 37.

[3]譚文生等. 壓強(qiáng)對化學(xué)速率影響實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新改進(jìn)[J]. 中學(xué)化學(xué)， 2018， （2）： 31.

[4]人民教育出版社，課程教材研究所. 普通高中教科書·化學(xué)必修（第二冊）[M]. 北京： 人民教育出版社， 2020： 14.