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摘 要：中學化學教材中有關化學平衡的實驗一般只集中在展現化學平衡的移動上，未涉及展示化學平衡建立的過程。創新實驗利用自制的化學平衡實驗裝置，通過觀察(NH4)2CO3分解體系壓力隨時間的變化曲線p-t圖，來直觀認識體系的化學反應從不平衡到平衡的過程，從而幫助學生理解化學平衡概念。
關鍵詞：化學平衡；碳酸銨；平衡常數
化學平衡在中學化學基本概念與基礎理論中占有極其重要的地位，概念比較抽象，是中學化學教與學的難點之一[1]。人教版《化學(選修四)：化學反應原理》中關于化學平衡的實驗共有三個，均只展現了化學平衡的移動，而沒有涉及或展示化學平衡建立的過程[2-3]。這樣的實驗設置，使學生在學習化學平衡時不能直接感知、觀察化學平衡的建立過程，而只能憑推理與想象來理解化學平衡，造成了化學平衡概念理解的困難[4]。顯然，教材給教師留下了一定的實驗創新設計空間，倡導教師根據各學校的實際條件開展實驗教學創新。基于此，筆者設計了通過觀察(NH4)2CO3(碳酸銨)分解體系平衡的建立過程，幫助學生理解化學平衡概念的實驗。
一、創新實驗設計
1.實驗原理
實驗事實：(NH4)2CO3是一種具有氨氣味的半透明立方晶體，在空氣中不穩定，其分解反應式為：(NH4)2CO3(s)CO2(g)↑+2NH3(g)↑+H2O(g)↑猜想與假設：該反應是可逆的多相反應，若不將分解產物從系統中移走，則在封閉體系中很快達到平衡。將氣體看成理想氣體，根據氣體分壓定理及理想氣體狀態方程，(NH4)2CO3的分解產物NH3，CO2和H2O的濃度變化與反應裝置中壓強的變化是一致的。因此，生成物濃度的變化可以通過反應體系中壓強的變化來直觀展現。反應開始時，生成物濃度為零，U型壓力計兩側液面平齊；隨著反應的進行，生成物的濃度逐漸增大，體系內壓強逐漸增大，U型壓力計兩側液面高度差值Δh逐漸增大；一段時間后，U型壓力計兩側液面高度差值Δh保持恒定，表明體系內的壓強不再變化，反應體系達到平衡狀態。壓力平衡常數Kp可表示為：Kp=(pNH)2×pCO×pHO322式中，pNH，pCO，pHO322分別為平衡時NH3，CO2和H2O的分壓，體系的總壓p總為：2222p總=pNH+pCO+pHO=2pNH=4pCO=4pHO33則Kp也可表示為Kp=1/64p總4可見，當體系達到平衡后，只要測得平衡總壓就可求算實驗溫度時(NH4)2CO3的分解反應平衡常數。
2.實驗器材
(1)實驗儀器與耗材U型壓力計、250mL錐形瓶、100mL燒杯、橡膠塞、直徑6mm的乳膠管、鐵架臺、玻璃管、藥匙、秒表。(2)實驗試劑液狀石蠟、(NH4)2CO3(AR)。(3)典型儀器的規格與操作說明U型壓力計是一種測量氣體和蒸汽流體壓力或壓力差的器具，如圖1所示，可測量小于0.1MPa的壓力或壓差。其工作原理是：當U型壓力計未與測壓點連通時，U型玻璃管內兩側的液位在零刻度線處相平；當U型玻璃管一端與測壓點連通時，管內的液位發生變化。若與測壓點相連一側的液位下降，則表示測壓點處的壓力為正壓力，反之為負壓力。壓力大小可由下式計算：p=Δhρg其中p為被測壓力數值；Δh為兩側液位差(mm)；ρ為工作液體的密度(g/cm3)；g為重力加速度，一般取9.8m/s2。若U型壓力計的兩端分別連通兩個壓力測量點，還可以測量兩個壓力測量點之間的壓差。當以水作為介質時，一般的測量范圍為-9.8～+9.8kPa，非常適合用作對氣體介質的低壓和微壓的測量。使用時需要注意如下事項。第一，使用時須將U型壓力計垂直懸掛在支架上，根據被測點壓力的大小在U型玻璃管內注入工作液(水、液狀石蠟或汞)，注入量以至標尺刻度的1/2處為宜。第二，被測壓力必須等于或小于U型壓力計的最大量值，以防止工作液體溢出玻璃管口。第三，注意保持U型玻璃管內壁及工作液的清潔純凈，不用時應用紗布或棉花遮住管口，以免影響實驗精度。
二、創新實驗步驟
1.實驗裝置的搭建
將液狀石蠟注入U型壓力計，液面與U型壓力計的零刻度線相平；按圖2連接好實驗裝置，并檢查裝置的氣密性。
2.化學平衡過程的觀察與測量
(1)記錄實驗條件：溫度和壓強。(2)取1g(約1藥匙)的(NH4)2CO3粉末迅速加入錐形瓶中，旋緊橡膠塞，勻力振蕩錐形瓶。(3)觀察U型壓力計液面的變化，每隔10s記錄1次壓力計中U型玻璃管一側液面的高度值，直至其中的液面不再有明顯變化為止。(4)另取1個錐形瓶，按上述步驟重復測量1次，并記錄實驗數據。
3.化學平衡過程曲線
(1)繪制h-t變化曲線圖：以U型玻璃管一側液面的高度讀數h為縱坐標，時間t為橫坐標，繪制出液面高度隨時間變化的曲線，見圖3。(2)繪制p-t曲線圖：將記錄的高度數據換算成體系壓力值p，以p為縱坐標，時間t為橫坐標，繪制出體系壓力隨時間變化的曲線，見圖4。觀察p-t曲線圖，直觀認識體系的化學反應從不平衡到平衡的過程。從反應開始至反應達到平衡，體系的總壓強先增大后不變，得到化學平衡狀態的表象特征。(3)計算平衡常數Kp：從p-t曲線圖中讀取體系的平衡總壓強，計算(NH4)2CO3分解反應的平衡常數Kp。根據公式Kp=1/64p總4，得到：Kp=4.89×1014。
三、創新實驗效果分析
1.合理選擇可逆的多相反應使平衡過程更易觀察
基于培養學生“科學探究與創新意識”的學科核心素養發展要求，創新設計通過觀察(NH4)2CO3分解體系平衡的迅速建立過程，幫助學生理解化學平衡概念的實驗。
2.科學選用數據記錄及處理手段使實驗結論精準可靠
基于培養學生“證據推理與模型認知”的學科核心素養發展要求，創新設計使用U型壓力計測量平衡建立過程中體系壓力的變化，繪制出反應過程圖，在此基礎上計算(NH4)2CO3分解反應的平衡常數Kp，實驗科學合理，結論精準可靠。
3.有效整合并創新使用實驗儀器促進認知思路的結構化
創新實驗基于《普通高中化學課程標準(2017年版)》中的知識關聯結構化要求，將高中化學中相互獨立的實驗器材有機地整合在一起，充分發揮好每一個實驗器材的教學功能，有利于幫助學生合理構建實驗設計的知識體系，促進實驗探究認知思路的結構化。
參考文獻
[1]黃菲菲,錢揚義.高中生“化學平衡”概念結構的研究[J].化學教育,2020(7):27-32.
[2]彭小平,徐宇峰.基于化學史和數據探究的“化學平衡常數”教學研究[J].化學教育,2018(15):20-24.
[3]宋玥,王磊.促進學生認識發展的化學平衡教學設計研究[J].化學教育,2016(15):23-32.
[4]梁文雯,王青,梁謙,等.化學平衡形成過程演示實驗的設計[J].中學化學教學參考,2012(4):53-54.
作者：魏彥林 白云山 葛秋萍 李世榮 單位：陜西師范大學 陜西省咸陽實驗中學