案例：运用数字实验探究氯水中化学平衡的存在

运用数字实验探究氯水中化学平衡的存在

一、问题提出

氯气与水的反应是高中学生第一次真正意义上接触的可逆反应，学生对其印象深刻；化学平衡及其移动是高中化学知识中的重点和难点。为此，笔者设计了一系列的数字实验，探究不同条件的改变对Cl2+H2OH++Cl-+HClO这一可逆反应平衡移动的影响，通过数字实验直观呈现氯水中各种平衡移动的存在。现将研究过程呈现如下：二、运用数字实验探究氯水中存在的化学平衡

2.1实验目的

运用数字实验直观地呈现氯水中平衡移动的存在2.2实验原理Cl2+H2OH++Cl-+HClO2.3实验仪器及药品

电脑（带有威尼尔软件）、数据采集器、氯离子传感器、pH传感器、温度传感器、氧气传感器、磁力搅拌器；饱和氯水、0.1mol/LNaOH溶液、浓H2SO4溶液、0.1mol/LNaCl溶液等。2.4实验装置图 图1实验装置图2.5设计思路实验编号实验操作实验目的预期现象1滴加1mL浓硫酸，测c(Cl-)与pH增大c(H+)对平衡移动的影响c(H+)增大、c(Cl-)减小2滴加1mL0.1mol/LNaCl溶液，测c(Cl-)与pH增大c(Cl-)对平衡移动的影响c(Cl-)增大、c(H+)减小3滴加1mL0.1mol/LNaOH溶液，测c(Cl-)与pH降低c(H+)对平衡移动的影响c(H+)减小、c(Cl-)增大4加热氯水，同时测c(Cl-)、pH及温度探究温度改变对平衡移动的影响温度升高，c(Cl-)、c(H+)均增大或同时减小2.6实验数据及分析

实验1：滴加1mL浓硫酸，测c(Cl-)与pH 图2滴加浓硫酸后c(Cl-)与pH的变化曲线

现象与分析：c(H+)增大、c(Cl-)减小，与预期现象相同。说明加入浓硫酸，增加了c(H+)，pH降低，使得氯气与水反应的平衡逆向移动，c(Cl-)降低。实验2：滴加1mL0.1mol/LNaCl溶液，测c(Cl-)与pH 图3滴加NaCl溶液后c(Cl-)与pH的变化曲线

现象与分析：c(Cl-)增大、c(H+)减小，与预期现象相同。说明加入氯化钠溶液，增加了c(Cl-)，使得氯气与水反应的平衡逆向移动，c(H+)增加，pH减小。实验3：滴加1mL0.1mol/LNaOH溶液，测c(Cl-)与pH 图4滴加NaOH溶液后c(Cl-)与pH的变化曲线

现象与分析：c(H+)减小、c(Cl-)增大，与预期现象相同。说明加入氢氧化钠溶液，增加了c(OH-)，pH升高，使得氯气与水反应的平衡正向移动，c(Cl-)增加。实验4：氯水加热，测c(Cl-)、pH及温度 图5加热过程中c(Cl-)与pH的变化曲线

现象与分析：随着温度的升高，c(Cl-)减小，c(H+)升高，与预期现象不符合，为什么会出现这种情况呢？氯气与水的反应是放热还是吸热过程呢，是不是反应产物HClO在加热过程中发生分解了呢，升高温度是否带来什么新的化学变化呢？为了探究这种反常现象出现的原因，笔者又设计了如下两个实验来探究氯水制备过程中的热效应以及加热过程中HClO是否会分解。实验编号实验操作实验目的5测定氯水制备过程中的热效应判断氯气与水反应是放热还是吸热反应6测定加热过程中HClO是否分解探究加热过程中是否存在浓度等其他变量的改变实验5：测定氯水制备过程中的热效应 图6氯水制备过程中的热效应

分析：由实验数据可知，氯气与水的反应是放热反应。因此加热过程中氯气与水的反应应向着逆反应方向移动，这可以解释为什么氯离子浓度降低。实验6：测定加热过程中HClO是否分解（使用氧气传感器） 图7氯水加热过程中氧气含量的变化

分析：从图中可知，加热过程中，随着温度的升高，氧气的含量逐渐增大，说明加热也促进了次氯酸的分解，生成了HCl与O2。三、实验结论及理论解释

从以上实验数据可知，氯气与水的反应是可逆反应，存在化学平衡。当改变平衡体系中某种组分的浓度时，化学平衡向着减弱这种改变的方向移动，符合勒夏特列原理。 至于为什么升高温度c(Cl-)减小的同时c(H+)增大？结合实验5和6，笔者又查阅了相关资料发现，次氯酸在水溶液中能同时发生以下反应：2HClO2HCl+O2↑HClO+HCl H2O+Cl2↑3HClO 2HCl+HClO3其中第三个反应在加热时容易发生，在这个反应中HClO分解生成两种强酸。因此在加热过程中c(Cl-)减小同时c(H+)升高这种现象实应该是多个反应同时进行带来的结果，即：温度升高使氯气与水的反应（放热反应）逆向进行，此外加热带来氯气的挥发同样促使这个反应向逆反应方向移动，因此氯离子的浓度减少；但同时HClO分解产生HCl和O₂以及HClO歧化生成HCl和HClO₃这两个过程都生成强酸，电离程度大大增强，因此溶液中氢离子浓度也应该是增大的，这两者之间并不矛盾。四、实验创新点

化学平衡的存在更多地停留在老师的口头讲解上，本文使用pH传感器、氯离子传感器、温度传感器、氧气传感器等，在学生面前