案例：運(yùn)用數(shù)字實(shí)驗(yàn)探究氯水中化學(xué)平衡的存在

運(yùn)用數(shù)字實(shí)驗(yàn)探究氯水中化學(xué)平衡的存在

一、問(wèn)題提出

氯氣與水的反應(yīng)是高中學(xué)生第一次真正意義上接觸的可逆反應(yīng)，學(xué)生對(duì)其印象深刻；化學(xué)平衡及其移動(dòng)是高中化學(xué)知識(shí)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。為此，筆者設(shè)計(jì)了一系列的數(shù)字實(shí)驗(yàn)，探究不同條件的改變對(duì)Cl2+H2OH++Cl-+HClO這一可逆反應(yīng)平衡移動(dòng)的影響，通過(guò)數(shù)字實(shí)驗(yàn)直觀呈現(xiàn)氯水中各種平衡移動(dòng)的存在?，F(xiàn)將研究過(guò)程呈現(xiàn)如下：二、運(yùn)用數(shù)字實(shí)驗(yàn)探究氯水中存在的化學(xué)平衡

2.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

運(yùn)用數(shù)字實(shí)驗(yàn)直觀地呈現(xiàn)氯水中平衡移動(dòng)的存在2.2實(shí)驗(yàn)原理Cl2+H2OH++Cl-+HClO2.3實(shí)驗(yàn)儀器及藥品

電腦（帶有威尼爾軟件）、數(shù)據(jù)采集器、氯離子傳感器、pH傳感器、溫度傳感器、氧氣傳感器、磁力攪拌器；飽和氯水、0.1mol/LNaOH溶液、濃H2SO4溶液、0.1mol/LNaCl溶液等。2.4實(shí)驗(yàn)裝置圖 圖1實(shí)驗(yàn)裝置圖2.5設(shè)計(jì)思路實(shí)驗(yàn)編號(hào)實(shí)驗(yàn)操作實(shí)驗(yàn)?zāi)康念A(yù)期現(xiàn)象1滴加1mL濃硫酸，測(cè)c(Cl-)與pH增大c(H+)對(duì)平衡移動(dòng)的影響c(H+)增大、c(Cl-)減小2滴加1mL0.1mol/LNaCl溶液，測(cè)c(Cl-)與pH增大c(Cl-)對(duì)平衡移動(dòng)的影響c(Cl-)增大、c(H+)減小3滴加1mL0.1mol/LNaOH溶液，測(cè)c(Cl-)與pH降低c(H+)對(duì)平衡移動(dòng)的影響c(H+)減小、c(Cl-)增大4加熱氯水，同時(shí)測(cè)c(Cl-)、pH及溫度探究溫度改變對(duì)平衡移動(dòng)的影響溫度升高，c(Cl-)、c(H+)均增大或同時(shí)減小2.6實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

實(shí)驗(yàn)1：滴加1mL濃硫酸，測(cè)c(Cl-)與pH 圖2滴加濃硫酸后c(Cl-)與pH的變化曲線

現(xiàn)象與分析：c(H+)增大、c(Cl-)減小，與預(yù)期現(xiàn)象相同。說(shuō)明加入濃硫酸，增加了c(H+)，pH降低，使得氯氣與水反應(yīng)的平衡逆向移動(dòng)，c(Cl-)降低。實(shí)驗(yàn)2：滴加1mL0.1mol/LNaCl溶液，測(cè)c(Cl-)與pH 圖3滴加NaCl溶液后c(Cl-)與pH的變化曲線

現(xiàn)象與分析：c(Cl-)增大、c(H+)減小，與預(yù)期現(xiàn)象相同。說(shuō)明加入氯化鈉溶液，增加了c(Cl-)，使得氯氣與水反應(yīng)的平衡逆向移動(dòng)，c(H+)增加，pH減小。實(shí)驗(yàn)3：滴加1mL0.1mol/LNaOH溶液，測(cè)c(Cl-)與pH 圖4滴加NaOH溶液后c(Cl-)與pH的變化曲線

現(xiàn)象與分析：c(H+)減小、c(Cl-)增大，與預(yù)期現(xiàn)象相同。說(shuō)明加入氫氧化鈉溶液，增加了c(OH-)，pH升高，使得氯氣與水反應(yīng)的平衡正向移動(dòng)，c(Cl-)增加。實(shí)驗(yàn)4：氯水加熱，測(cè)c(Cl-)、pH及溫度 圖5加熱過(guò)程中c(Cl-)與pH的變化曲線

現(xiàn)象與分析：隨著溫度的升高，c(Cl-)減小，c(H+)升高，與預(yù)期現(xiàn)象不符合，為什么會(huì)出現(xiàn)這種情況呢？氯氣與水的反應(yīng)是放熱還是吸熱過(guò)程呢，是不是反應(yīng)產(chǎn)物HClO在加熱過(guò)程中發(fā)生分解了呢，升高溫度是否帶來(lái)什么新的化學(xué)變化呢？為了探究這種反常現(xiàn)象出現(xiàn)的原因，筆者又設(shè)計(jì)了如下兩個(gè)實(shí)驗(yàn)來(lái)探究氯水制備過(guò)程中的熱效應(yīng)以及加熱過(guò)程中HClO是否會(huì)分解。實(shí)驗(yàn)編號(hào)實(shí)驗(yàn)操作實(shí)驗(yàn)?zāi)康?測(cè)定氯水制備過(guò)程中的熱效應(yīng)判斷氯氣與水反應(yīng)是放熱還是吸熱反應(yīng)6測(cè)定加熱過(guò)程中HClO是否分解探究加熱過(guò)程中是否存在濃度等其他變量的改變實(shí)驗(yàn)5：測(cè)定氯水制備過(guò)程中的熱效應(yīng) 圖6氯水制備過(guò)程中的熱效應(yīng)

分析：由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，氯氣與水的反應(yīng)是放熱反應(yīng)。因此加熱過(guò)程中氯氣與水的反應(yīng)應(yīng)向著逆反應(yīng)方向移動(dòng)，這可以解釋為什么氯離子濃度降低。實(shí)驗(yàn)6：測(cè)定加熱過(guò)程中HClO是否分解（使用氧氣傳感器） 圖7氯水加熱過(guò)程中氧氣含量的變化

分析：從圖中可知，加熱過(guò)程中，隨著溫度的升高，氧氣的含量逐漸增大，說(shuō)明加熱也促進(jìn)了次氯酸的分解，生成了HCl與O2。三、實(shí)驗(yàn)結(jié)論及理論解釋

從以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，氯氣與水的反應(yīng)是可逆反應(yīng)，存在化學(xué)平衡。當(dāng)改變平衡體系中某種組分的濃度時(shí)，化學(xué)平衡向著減弱這種改變的方向移動(dòng)，符合勒夏特列原理。 至于為什么升高溫度c(Cl-)減小的同時(shí)c(H+)增大？結(jié)合實(shí)驗(yàn)5和6，筆者又查閱了相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)，次氯酸在水溶液中能同時(shí)發(fā)生以下反應(yīng)：2HClO2HCl+O2↑HClO+HCl H2O+Cl2↑3HClO 2HCl+HClO3其中第三個(gè)反應(yīng)在加熱時(shí)容易發(fā)生，在這個(gè)反應(yīng)中HClO分解生成兩種強(qiáng)酸。因此在加熱過(guò)程中c(Cl-)減小同時(shí)c(H+)升高這種現(xiàn)象實(shí)應(yīng)該是多個(gè)反應(yīng)同時(shí)進(jìn)行帶來(lái)的結(jié)果，即：溫度升高使氯氣與水的反應(yīng)（放熱反應(yīng)）逆向進(jìn)行，此外加熱帶來(lái)氯氣的揮發(fā)同樣促使這個(gè)反應(yīng)向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，因此氯離子的濃度減少；但同時(shí)HClO分解產(chǎn)生HCl和O?以及HClO歧化生成HCl和HClO?這兩個(gè)過(guò)程都生成強(qiáng)酸，電離程度大大增強(qiáng)，因此溶液中氫離子濃度也應(yīng)該是增大的，這兩者之間并不矛盾。四、實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新點(diǎn)

化學(xué)平衡的存在更多地停留在老師的口頭講解上，本文使用pH傳感器、氯離子傳感器、溫度傳感器、氧氣傳感器等，在學(xué)生面前