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

        2021-01-22 05:56:18肖中榮周萍
        化學(xué)教學(xué) 2021年10期
        關(guān)鍵詞:實驗探究

        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)-時間(P-t)曲線、溫度-時間(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; 傳感器實驗; 實驗探究

        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)速率的演示實驗,沒有安排壓強(qiáng)影響反應(yīng)速率的實驗,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》也沒有安排演示實驗,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)生缺乏通過實驗現(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)影響速率的實驗演示文獻(xiàn)[3]: 用點燃的細(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。實驗原理雖簡單,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),實驗成功率較低,不適合作為課堂教學(xué)的演示實驗。

        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)知識的價值,減輕學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷。實驗通過壓強(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? 實驗原理

        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? 實驗儀器和裝置

        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。主要實驗裝置如圖1所示。

        2.3? 實驗藥品

        濃鹽酸,濃硫酸,氫氧化鈉固體,濃氨水,堿石灰等

        2.4? 實驗操作

        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(因為氯化氫的密度大于氨的密度,快速注入氯化氫氣體,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的ΔP/Δt和ΔT/Δt量值。

        2.5? 實驗現(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)。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)。體系起始溫度為18.5℃(f點),反應(yīng)放熱溫度升高,最高溫度為38℃(h點)(壓強(qiáng)降到最低時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)(截圖上顯示的是反應(yīng)結(jié)束后一段時間的溫度,此時溫度高于起始溫度,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。

        計算圖4、圖5的曲線最高點的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) 氨的體積相同時充入氯化氫氣體越多,P-t、 T-t曲線越陡,曲線最高點的ΔP/Δt與ΔT/Δt量值越大,說明此時的反應(yīng)速率越大。

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

        說明: 實驗均在室溫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),實驗誤差不可避免,平行實驗獲得的曲線圖像是相同的,不影響實驗結(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。

        本實驗可以選作課堂演示實驗或?qū)W生課外探究實驗。

        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)實驗教科書·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)速率影響實驗的創(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.

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