用气压式喷壶探究气体溶解平衡移动的影响因素

宋伟

摘要： 为探究浓度、压强、温度对“CO2（g）CO2（aq）”平衡移动的影响，用改装的气压式喷壶制作实验装置，通过改变鼓入气体类型、开闭排气阀门、水浴加热等方式控制瓶内CO2的浓度、压强、温度，用溴百里香酚蓝溶液的变色识别平衡移动。该装置还能完成三个拓展实验和趣味实验，具有成本低、易组装、时间短、多功能的特点，适合学生分组实验。

关键词： 气体溶解平衡； 平衡移动； 气压式喷壶； 实验设计

文章编号： 10056629（2023）11007904 中图分类号： G633.8 文献标识码： B

1 问题的提出

化學平衡是“化学反应原理”部分的重要概念，是发展学生“变化观念与平衡思想”的重要载体。同时，由于化学平衡的概念具有抽象性，是教学中的难点，需要实验来帮助学生直观感知。化学平衡可分为“化学反应平衡”和“相平衡”，其中高中阶段常见的“相平衡”又包括“沉淀溶解平衡”和“气体溶解平衡”。已有很多文献针对“化学反应平衡”和“沉淀溶解平衡”做出改进和创新，例如前者有2NO2N2O4反应、 Fe3++3SCN-Fe（SCN）3反应、 Cr2O2-7+H2O2CrO2-4+2H+反应的平衡移动，后者有碘化铅、氢氧化镁等沉淀的溶解平衡［1～3］。

但是，很少有文献设计“气体溶解平衡”的实验。为数不多的实验有周继敏［4］设计的数字化实验，用压强传感器测量注射器中“二氧化碳水”体系在压缩、负压时的压强变化，发现压缩时压强先增大后减小，负压时压强先减小后增大，以此证明压强对平衡移动的影响。笔者认为，这个实验没有排除传感器示数波动的影响，因为传感器在压强突然增大或减小时，本来就可能有短暂的不稳定；而且实验仪器成本较高。

在常规课教学中，教师一般会用“打开汽水瓶喷出大量泡沫”的生活经验证明“压强变化导致平衡移动”，但其实在打开汽水瓶时，不仅压强发生了变化，气相二氧化碳浓度也降低了，甚至温度也会降低，并没有达到“控制变量”的实验要求，结论不太严谨。

因此笔者认为有必要对气体溶解平衡移动实验做进一步改进，这样能够与“化学反应平衡”实验和“沉淀溶解平衡”实验共同构成“化学平衡”完整的实验体系。本文介绍的实验能够探究压强、浓度、温度对气体溶解平衡移动的影响，具有低成本、简单快捷、适合学生分组动手完成的特点。

2 实验原理

在“二氧化碳水”体系中，主要存在三种平衡：气体溶解平衡为CO2（g）CO2（aq）， ΔH=-19.75kJ/mol，化学反应平衡为CO2（aq）+H2O（l）H2CO3（aq），电离平衡（仅考虑一级电离，二级电离可忽略）为H2CO3（aq）H+（aq）+HCO-3（aq）。实际上，气体溶解占据主导地位，而与水反应、电离都非常微弱。经文献计算［5］，常温常压下CO2（g）溶于水并达到平衡状态时，约99.4%仍然为CO2（aq），只有约0.6%转变为了H2CO3和HCO-3［6］。因此，本实验只考虑体系内的CO2（g）CO2（aq）平衡。

溴百里香酚蓝常用于CO2溶液指示剂，其变色范围在pH 6.0（黄绿）～7.6（蓝）之间非常灵敏，且在pH<6.0时更黄，pH>7.6时更蓝。随着CO2从没有溶解到溶解得越来越多，溴百里香酚蓝溶液的颜色会呈现蓝色→绿色→黄色的变化。

3 实验试剂与仪器

实验试剂：0.1%溴百里香酚蓝溶液，配置方法为称量0.1g溴百里香酚蓝粉末，先溶于5mL乙醇，然后加入95mL蒸馏水（pH约为7）。空气（含有约0.03%二氧化碳）、人体呼出气体（含有约4%二氧化碳）、二氧化碳吸收剂（氢氧化钙颗粒）。

实验仪器：600mL左右的无色透明饮料瓶（如可乐瓶）、塑料加压喷雾器（前2种材料共同组成气压式喷壶，可网购）、导管、气泡石（直径应小于饮料瓶瓶口）、储气囊（可用塑料袋代替）、水槽、塑料白板。

4 实验装置

实验装置见图1，主要分为三个部分：加压喷雾器（包括进气口、出气口、导管、阀门、打气筒、活塞、推拉杆等）、饮料瓶、储气囊。

首先，对市场上购买的加压喷雾器做以下改装。（1）原本的喷壶进气口没有导管，这是因为原本喷壶不需要气体进入溶液。但本实验中为了加快平衡移动的速率、尽快建立新的平衡，不仅在进气口增加一个伸入液面下方的导管（用实线表示），还在导管末端连接一个气泡石，大大增加气泡与液体的接触面积。（2）原本的喷壶出气口连接有伸入液面下方的导管（用虚线表示），这是因为原本喷壶在按压阀门后需要让液体喷出。但本文实验中需要把瓶内气体喷出，液体不用喷出，因此拆除该导管。

其次，在饮料瓶内倒入3～5cm高度的0.1%溴百里香酚蓝溶液，把加压喷雾器旋紧在饮料瓶的螺纹瓶口上。

最后，在塑料袋中收集大约一半体积的人体呼出气体和一半体积的空气（以下简称“混合气”），使二氧化碳浓度约为2%。例如边长20cm的塑料袋大约要三四口气才能吹鼓，可以先在塑料袋内充满空气，再吹进两口气，形成混合气。待塑料袋鼓起来后用夹子夹紧袋口，备用。需要鼓入混合气时，用橡皮筋把袋口箍在打气筒的进气端，用手捏紧即可。

5 基础实验的步骤、现象和结论

本实验可分为5个基础实验、2个拓展实验和1个趣味实验。基础实验的目的是探究浓度、压强、温度3种条件对气体溶解平衡移动的影响，这是平衡移动教学的重点。实验的总体设计如表1，前一个实验的最终状态就是后一个实验的初始状态，因此可以在一个气压式喷壶中一次性完成所有基础实验。通过观察宏观水平的指示剂颜色判断微观水平的CO2（aq）浓度，根据条件变化前后CO2（aq）浓度的变化判断平衡移动的方向。实验1展示了“二氧化碳水”体系的气体溶解平衡建立过程，实验2展示了增大气体浓度导致平衡正向移动，实验3和实验4展示了增大（减小）压强导致平衡正向（逆向）移动，实验5展示了提高温度导致平衡逆向移动。

6 拓展实验的步骤、现象和结论

6.1 拓展实验1

拓展实验1的目的是作为基础实验的补充，探究充入不参与溶解平衡的气体对平衡移动的影响，让学生更深刻地理解压强的实质是指气体分压。拓展实验1的步骤为：

（1） 模仿基础实验2的步骤，建立平衡状态B作为初始状态，即瓶内处于常压、室温、充满混合气的状态，此时溶液为绿色。

（2） 用储气囊（塑料袋）收集一袋空气，放入氫氧化钙颗粒后扎紧袋口摇晃几下，去除空气中的二氧化碳，然后把储气囊口固定在打气筒的进气端。

（3） 关闭阀门，封闭装置。推拉活塞，鼓入去除二氧化碳的空气，观察溶液颜色变化。

拓展实验1的现象是，虽然可以感觉瓶子充气后变得硬邦邦的，但溶液颜色不变。实验现象说明虽然充入不参与溶解的气体能够导致压强增大，但二氧化碳的分压不变，因此平衡不移动。

6.2 拓展实验2

拓展实验2的目的是探究改变体积对平衡移动的影响，让学生理解减小体积实质上也会增大压强、造成平衡移动。拓展实验2的步骤为：

（1） 模仿基础实验2的步骤，建立平衡状态B作为初始状态，即瓶内处于常压、室温、充满混合气的状态，此时溶液为绿色。

（2） 关闭阀门，封闭装置。用力捏扁瓶子，并振荡几下，观察溶液颜色变化。

拓展实验2的现象是，溶液颜色从绿色变成黄色。实验现象说明，体积减小能够导致平衡向着正反应方向（总气体体积减小方向）移动。同时，实验者能够直观感受到瓶子捏扁时内部气压增大了，因此减小瓶内气体体积，与增大压强是等效的。

7 趣味实验的步骤、现象和结论

趣味实验的目的是让学生体验实验中颜色变化带来的乐趣，然后运用刚刚学习的气体溶解平衡知识解释现象。趣味实验的步骤为：

（1） 模仿基础实验3的步骤，建立平衡状态C作为初始状态，即瓶内处于封闭加压、室温、充满混合气的状态，此时溶液为黄色。

（2） 倒置实验装置，使水浸没出气口。

（3） 按压阀门，喷出水雾到塑料白板上，观察喷出水雾的颜色变化。

本实验的现象是，瓶内黄色的溶液在喷出后，在塑料白板上聚集为蓝色的小水珠。学生可以用基础实验得到的结论来解释本实验的现象：与瓶内溶液相比，水雾喷出后压强减小，且周围二氧化碳浓度也减小，这2个因素都导致平衡向逆反应方向移动。此外，师生还可以自己设计更多的趣味实验，例如在环境中放干冰、使喷出的蓝色溶液变黄等。

8 实验创新点

（1） 用气压式喷壶改装成实验装置，加压时不漏气、成功率高，而且成本很低，网购气压式喷壶仅3元/个。

（2） 在进气导管处连接气泡石，增大了气体与液体的接触面积，有利于快速建立新的平衡，缩短实验时间。

（3） 实验具有集成化的特点，可以用一个装置一次性完成多个实验。

参考文献：

［1］刘长胜. 压强影响2NO2（g）N2O4（g）平衡的实验设计［J］. 化学教学， 2014， （4）： 46～47.

［2］张礼聪. 实验引领下“沉淀溶解平衡”教学［J］. 化学教学， 2014， （5）： 42～43，46.

［3］杜博， 沈子稚， 肖艳. 基于“证据推理”素养的沉淀溶解平衡教学设计——探究氢氧化镁处理印染废水的原理［J］. 化学教学， 2021， （6）： 61～65.

［4］周继敏， 李银涛， 王涛等. 通过实验探究建构科学规律的教学——以“温度、压强对化学平衡的影响”为例［J］. 化学教育（中英文）， 2019， 40（9）： 37～40.

［5］郑萍， 陈明元. 相平衡与CO2在水中的扩散速率［J］. 贵州教育学院学报（自然科学版）， 2004， 15（2）： 70.

［6］陈明元. 中学化学中二氧化碳溶于水的问题［J］. 化学教学， 2014， （9）： 93～94.

*江苏省中小学教学研究第十四期重点自筹课题（编号2021JY14ZB19）的阶段性研究成果。