摘要： 為探究壓強對二氧化碳溶解平衡的影響，通過壓縮與抽拉注射器，實現升壓與降壓的條件變化，借助壓強傳感器，及時收集與記錄不同條件下氣體的壓強變化。從實驗結果可知，升高壓強，二氧化碳溶解平衡會向氣體分子數減小的方向移動；降低壓強，二氧化碳溶解平衡會向氣體分子數增大的方向移動。實驗操作簡單安全，適合學生進行自主探究活動，有助于學生深入理解壓強對化學平衡的影響規(guī)律。

關鍵詞： 二氧化碳溶解平衡； 化學平衡； 壓強傳感器； 實驗探究

文章編號： 1005-6629（2024）07-0078-04 中圖分類號： G633.8 文獻標識碼： B

1 問題提出

化學平衡是高中化學教學的重點內容之一。而在實際教學中，化學平衡的移動過程難以從微觀角度表征，原理抽象不易理解。課標的“情境素材建議”中提到，化學平衡影響因素的證據素材有壓強對NO2和N2O4平衡影響的數字傳感器實驗［1］。該實驗在實際操作中，有三點不足之處：

（1） 二氧化氮是有毒氣體，操作不當容易發(fā)生泄漏，影響實驗者的安全。

（2） 壓縮注射器到指定體積時，力度不好控制，難以維持活塞在指定位置。

（3） 氣體顏色變化不夠明顯，學生的觀察更多依賴于主觀感受，非客觀數據。

為了讓學生更容易和更安全地觀察實驗，本研究選擇二氧化碳溶解平衡作為研究對象，利用注射器與止水夾控制壓強大小，連接數字傳感器及時記錄不同條件下的體系壓強變化，數字化處理數據并繪制圖像作進一步分析。

2 實驗原理

2.1 二氧化碳的制備

泡騰片含有碳酸氫鈉和檸檬酸，當泡騰片溶于水時，兩種成分相互接觸，快速產生大量的CO2氣體。

2.2 二氧化碳的溶解

CO2溶于水時，先后發(fā)生兩個反應：

溶解在水中的CO2大部分以弱的水合分子存在，只有1%～4%的CO2與H2O反應生成H2CO3［2］。因此，本實驗主要研究CO2溶于水的第一步反應，正方向指氣體溶解，逆方向指氣體釋放，本文以氣體溶解與釋放作反應方向的判斷。

2.3 壓強條件控制

用橡膠管連通反應容器與注射器，通過壓縮與回拉注射器，實現升壓與降壓。進行升壓與降壓操作后及時用止水夾夾緊橡膠管，以確保體系壓強條件不變，排除無關變量對實驗數據的影響。

3 實驗試劑與儀器

實驗藥品：CO2泡騰片、蒸餾水

實驗儀器：集氣瓶、100mL注射器、導管、橡膠塞、數據采集器、相對壓強傳感器、平板電腦

實驗裝置：主要分為四個部分：反應裝置、相對壓強傳感器、數據采集器與電腦終端，詳見圖1。本次實驗所得數據用Origin8.5軟件進行作圖分析。

4 實驗步驟、結果與討論

本實驗分為兩組實驗：實驗組1研究壓強改變對CO2溶解平衡的影響；實驗組2作為補充實驗，目的為了探究充入不參與溶解平衡的氣體對平衡移動的影響，實驗組2以空氣為例。實驗總體設計如表1所示，前一步操作的最終狀態(tài)是后一步操作的初始狀態(tài)，因此在同一實驗中可觀察溶解平衡的建立、升壓與降壓過程中的不同變化。裝置內氣體有新產生的CO2和空氣，同一體積下，氣體壓強實質是各氣體的分壓之和，因此通過壓強的大小變化能推斷出CO2濃度的大小變化，進而判斷溶解平衡的移動方向。

4.1 二氧化碳溶解實驗組（實驗組1）

收集二氧化碳實驗組數據，繪制曲線如圖2所示。為方便討論，圖2作簡要標注，詳細分析見表1。

4.2 空氣對照組（實驗組2）

空氣中含有N2的體積分數約為78%，O2的體積分數約為21%，常溫常壓下N2難溶于水，O2微溶于水。收集空氣對照組數據，繪制曲線如圖3，該圖作簡要標注，詳細分析見表2。

4.3 實驗數據分析

（1） 壓縮氣體時，圖2中B1點產生突躍效應的原因：由于CO2是非極性分子，它溶入水的速度較慢［3］，在壓縮過程中氣體產生壓縮熱效應，使氣體溫度升高，壓強變大。在回拉注射器時，也產生相似效果（見圖2中E1點），體積增大，溫度降低，壓強變小。

（2） 分析B1～D1段下降耗時長且幅度小的原因：一是CO2在水中擴散系數的數量級為10-5cm2·s-1［4］，擴散阻力很大，溶解速度較慢；二是常溫常壓下，飽和水溶液里CO2的濃度約為0.035mol·L-1［5］，CO2的溶解度不高。因此在相同原理下，降壓時，E1～G1段也呈現耗時長且幅度小的變化。

（3） 圖3有類似的突躍點，如B2和E2?？諝庵蠴2、 N2等也是非極性分子，它溶入水的速度也較慢，同樣這也是由于壓縮氣體，氣體做功，其內能增大，使溫度升高所致［6］，氣體壓強增加?？梢娖胀ǖ淖⑸淦髋c外界存在熱傳遞，若能找到絕熱的注射器，實驗效果更佳。

（4） 對比兩圖變化，相同操作后，C1～D1段曲線緩慢下降，C2～D2段曲線保持水平不變。C1～D1段下降的原因是壓縮氣體時，體積減小，壓強增加，CO2溶解平衡向氣體分子數減小方向移動，CO2發(fā)生溶解，氣體壓強逐漸下降。C2～D2段壓強保持不變，說明空氣實驗組不存在平衡移動，排除了空氣對CO2實驗的影響。因此在相同原理下，回拉注射器時，F1～G1段表現為壓強逐漸上升，F2～G2段壓強保持不變。

4.4 探究二氧化碳溶解速度（拓展實驗）

步驟如下：用同一注射器先后收集相同體積的CO2氣體和蒸餾水，用膠塞封住針口，垂直靜置，觀察活塞下移速度。實驗現象如下：剛開始，活塞沒有明顯變化，經過30分鐘，活塞有少許下移，振蕩注射器，下移速度加快。由實驗結果可知，CO2在水中的溶解速度較慢。

在探究壓強對CO2溶解平衡影響的實驗中，由于CO2溶解速度較慢，氣體壓強減小不明顯，當進行壓縮氣體時，壓縮熱效應使氣體溫度升高，氣體壓強增大，這就出現了像B1點的突躍效果。相同原理下，在升壓時，CO2溶解平衡會發(fā)生移動，平衡向氣體分子數減小的方向移動，CO2會發(fā)生溶解，而由于其溶解速度有限，溶解過程需持續(xù)一定時間，這就出現了像圖2中C1～D1段緩慢下降的現象。

5 結語

（1） 對比教材實驗研究壓強對反應N2O4（g）2NO2（g）的化學平衡移動，由于NO2氣體有毒，不宜用于學生實驗。CO2是一種安全氣體，其溶解過程符合化學平衡移動的一般規(guī)律，學生能自主完成實驗并記錄實際變化，發(fā)展“變化觀念與平衡思想”的核心素養(yǎng)。

（2） CO2溶解平衡受壓強影響明顯。借助數字傳感器技術，收集并處理數據，繪制曲線，幫助學生完成從定性到定量的思維躍遷，提高對圖像的分析能力。改變壓強前后的曲線變化，一定程度上驗證了勒夏特列原理［7］，糾正學生的迷思概念。

（3） CO2溶解平衡涉及教材中多個學習背景，如侯氏制堿法［8］、海洋酸化、血液的酸堿平衡［9］、呼吸中毒等，本實驗可做補充案例，幫助學生進一步拓展與探究反應原理。

參考文獻：

［1］中國人民共和國教育部制定.普通高中化學課程標準（2017年版）［S］.北京：人民教育出版社，2018：31.

［2］吳國慶.無機化學［M］.北京：高等教育出版社，2003：567.

［3］［5］陳明元.中學化學中二氧化碳溶于水的問題［J］.化學教學，2014， （9）：93～94．

［4］鄭萍，陳明元.相平衡與CO2在水中的擴散速率［J］.貴州教育學院學報（自然科學版）， 2004， 15（2）：70.

［6］陳錦華.兩用氣體做功內能變化實驗儀的創(chuàng)新改進［J］.實驗教學與儀器， 2022， 39（6）：27～28.

［7］白俊杰.利用實驗教學探究勒夏特列原理的內涵［J］.中小學實驗與裝備， 2018， （6）：20～21.

［8］人民教育出版社等.普通高中教科書·化學必修1［M］.北京：人民教育出版社， 2019： 37.

［9］人民教育出版社等.普通高中教科書·化學選擇性必修1［M］.北京：人民教育出版社， 2020： 65.

（廣州市教育科學規(guī)劃2022年度課題“基于手持技術的高中化學實驗教學研究”（課題批準號：202214287）的研究成果。）