摘 要：中学化学教材中有关化学平衡的实验一般只集中在展现化学平衡的移动上，未涉及展示化学平衡建立的过程。创新实验利用自制的化学平衡实验装置，通过观察(NH4)2CO3分解体系压力随时间的变化曲线p-t图，来直观认识体系的化学反应从不平衡到平衡的过程，从而帮助学生理解化学平衡概念。
关键词：化学平衡；碳酸铵；平衡常数
化学平衡在中学化学基本概念与基础理论中占有极其重要的地位，概念比较抽象，是中学化学教与学的难点之一[1]。人教版《化学(选修四)：化学反应原理》中关于化学平衡的实验共有三个，均只展现了化学平衡的移动，而没有涉及或展示化学平衡建立的过程[2-3]。这样的实验设置，使学生在学习化学平衡时不能直接感知、观察化学平衡的建立过程，而只能凭推理与想象来理解化学平衡，造成了化学平衡概念理解的困难[4]。显然，教材给教师留下了一定的实验创新设计空间，倡导教师根据各学校的实际条件开展实验教学创新。基于此，笔者设计了通过观察(NH4)2CO3(碳酸铵)分解体系平衡的建立过程，帮助学生理解化学平衡概念的实验。
一、创新实验设计
1.实验原理
实验事实：(NH4)2CO3是一种具有氨气味的半透明立方晶体，在空气中不稳定，其分解反应式为：(NH4)2CO3(s)CO2(g)↑+2NH3(g)↑+H2O(g)↑猜想与假设：该反应是可逆的多相反应，若不将分解产物从系统中移走，则在封闭体系中很快达到平衡。将气体看成理想气体，根据气体分压定理及理想气体状态方程，(NH4)2CO3的分解产物NH3，CO2和H2O的浓度变化与反应装置中压强的变化是一致的。因此，生成物浓度的变化可以通过反应体系中压强的变化来直观展现。反应开始时，生成物浓度为零，U型压力计两侧液面平齐；随着反应的进行，生成物的浓度逐渐增大，体系内压强逐渐增大，U型压力计两侧液面高度差值Δh逐渐增大；一段时间后，U型压力计两侧液面高度差值Δh保持恒定，表明体系内的压强不再变化，反应体系达到平衡状态。压力平衡常数Kp可表示为：Kp=(pNH)2×pCO×pHO322式中，pNH，pCO，pHO322分别为平衡时NH3，CO2和H2O的分压，体系的总压p总为：2222p总=pNH+pCO+pHO=2pNH=4pCO=4pHO33则Kp也可表示为Kp=1/64p总4可见，当体系达到平衡后，只要测得平衡总压就可求算实验温度时(NH4)2CO3的分解反应平衡常数。
2.实验器材
(1)实验仪器与耗材U型压力计、250mL锥形瓶、100mL烧杯、橡胶塞、直径6mm的乳胶管、铁架台、玻璃管、药匙、秒表。(2)实验试剂液状石蜡、(NH4)2CO3(AR)。(3)典型仪器的规格与操作说明U型压力计是一种测量气体和蒸汽流体压力或压力差的器具，如图1所示，可测量小于0.1MPa的压力或压差。其工作原理是：当U型压力计未与测压点连通时，U型玻璃管内两侧的液位在零刻度线处相平；当U型玻璃管一端与测压点连通时，管内的液位发生变化。若与测压点相连一侧的液位下降，则表示测压点处的压力为正压力，反之为负压力。压力大小可由下式计算：p=Δhρg其中p为被测压力数值；Δh为两侧液位差(mm)；ρ为工作液体的密度(g/cm3)；g为重力加速度，一般取9.8m/s2。若U型压力计的两端分别连通两个压力测量点，还可以测量两个压力测量点之间的压差。当以水作为介质时，一般的测量范围为-9.8～+9.8kPa，非常适合用作对气体介质的低压和微压的测量。使用时需要注意如下事项。第一，使用时须将U型压力计垂直悬挂在支架上，根据被测点压力的大小在U型玻璃管内注入工作液(水、液状石蜡或汞)，注入量以至标尺刻度的1/2处为宜。第二，被测压力必须等于或小于U型压力计的最大量值，以防止工作液体溢出玻璃管口。第三，注意保持U型玻璃管内壁及工作液的清洁纯净，不用时应用纱布或棉花遮住管口，以免影响实验精度。
二、创新实验步骤
1.实验装置的搭建
将液状石蜡注入U型压力计，液面与U型压力计的零刻度线相平；按图2连接好实验装置，并检查装置的气密性。
2.化学平衡过程的观察与测量
(1)记录实验条件：温度和压强。(2)取1g(约1药匙)的(NH4)2CO3粉末迅速加入锥形瓶中，旋紧橡胶塞，匀力振荡锥形瓶。(3)观察U型压力计液面的变化，每隔10s记录1次压力计中U型玻璃管一侧液面的高度值，直至其中的液面不再有明显变化为止。(4)另取1个锥形瓶，按上述步骤重复测量1次，并记录实验数据。
3.化学平衡过程曲线
(1)绘制h-t变化曲线图：以U型玻璃管一侧液面的高度读数h为纵坐标，时间t为横坐标，绘制出液面高度随时间变化的曲线，见图3。(2)绘制p-t曲线图：将记录的高度数据换算成体系压力值p，以p为纵坐标，时间t为横坐标，绘制出体系压力随时间变化的曲线，见图4。观察p-t曲线图，直观认识体系的化学反应从不平衡到平衡的过程。从反应开始至反应达到平衡，体系的总压强先增大后不变，得到化学平衡状态的表象特征。(3)计算平衡常数Kp：从p-t曲线图中读取体系的平衡总压强，计算(NH4)2CO3分解反应的平衡常数Kp。根据公式Kp=1/64p总4，得到：Kp=4.89×1014。
三、创新实验效果分析
1.合理选择可逆的多相反应使平衡过程更易观察
基于培养学生“科学探究与创新意识”的学科核心素养发展要求，创新设计通过观察(NH4)2CO3分解体系平衡的迅速建立过程，帮助学生理解化学平衡概念的实验。
2.科学选用数据记录及处理手段使实验结论精准可靠
基于培养学生“证据推理与模型认知”的学科核心素养发展要求，创新设计使用U型压力计测量平衡建立过程中体系压力的变化，绘制出反应过程图，在此基础上计算(NH4)2CO3分解反应的平衡常数Kp，实验科学合理，结论精准可靠。
3.有效整合并创新使用实验仪器促进认知思路的结构化
创新实验基于《普通高中化学课程标准(2017年版)》中的知识关联结构化要求，将高中化学中相互独立的实验器材有机地整合在一起，充分发挥好每一个实验器材的教学功能，有利于帮助学生合理构建实验设计的知识体系，促进实验探究认知思路的结构化。
参考文献
[1]黄菲菲,钱扬义.高中生“化学平衡”概念结构的研究[J].化学教育,2020(7):27-32.
[2]彭小平,徐宇峰.基于化学史和数据探究的“化学平衡常数”教学研究[J].化学教育,2018(15):20-24.
[3]宋玥,王磊.促进学生认识发展的化学平衡教学设计研究[J].化学教育,2016(15):23-32.
[4]梁文雯,王青,梁谦,等.化学平衡形成过程演示实验的设计[J].中学化学教学参考,2012(4):53-54.
作者：魏彦林 白云山 葛秋萍 李世荣 单位：陕西师范大学 陕西省咸阳实验中学