唐文秀 錢揚義 陳雪飛 王立新 陳秋伶

摘要： 利用手持技術(shù)設(shè)計2組實驗，分別探究不同濃度的KCl溶液和不同質(zhì)量的KCl晶體對Fe3+/SCN-平衡體系的影響。發(fā)現(xiàn)KCl溶液和晶體均使Fe3+/SCN-平衡體系顏色變淺，且變淺程度隨KCl濃度和質(zhì)量的增大而增大。繼而設(shè)計4個實驗以探究KCl的影響原因。結(jié)果表明： KCl使Fe3+/SCN-平衡體系顏色變淺原因是鹽效應(yīng)和配體取代反應(yīng)共同作用的結(jié)果，二者的主次作用目前尚不明確。

關(guān)鍵詞： Fe3+/SCN-平衡體系; KCl濃度; 色度計傳感器; 實驗探究

文章編號： 1005-6629（2018）11-0085-05中圖分類號： G633.8文獻標(biāo)識碼： B

1 問題提出

中學(xué)化學(xué)共涉及700多個化學(xué)概念，錢揚義等根據(jù)其重要程度排名從中篩選出100個作為“化學(xué)學(xué)科關(guān)鍵詞”，“化學(xué)平衡”的重要程度排在第25位，是中學(xué)化學(xué)非常重要的化學(xué)概念[1～2]?！盎瘜W(xué)平衡”是人教版高中化學(xué)選修四第二章第三節(jié)的核心化學(xué)概念[3]，是學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)電離平衡、水解平衡及沉淀溶解平衡等的關(guān)鍵鋪墊。

中學(xué)化學(xué)考試中常出現(xiàn)以下考點——KCl是否會對FeCl3與KSCN絡(luò)合反應(yīng)平衡有影響？答案解釋為： 因該絡(luò)合反應(yīng)的離子方程式為Fe3++SCN-[Fe（SCN）]2+，無KCl，故KCl物質(zhì)本身對該反應(yīng)無影響，若加入KCl溶液，由于引起了溶液體積的變化，故平衡發(fā)生移動;若加入KCl晶體，因未引起溶液體積的變化，故平衡不移動。筆者通過對廣州市5所中學(xué)高二師生的半結(jié)構(gòu)訪談，了解到一線教師在教學(xué)中對該知識點的解釋也是如此。然而，教材上并沒有通過實驗科學(xué)探究該知識點，即此答案尚無科學(xué)的證據(jù)支持。因此深入研究KCl對Fe3+/SCN-平衡體系的影響十分必要，研究結(jié)果將有助于學(xué)生科學(xué)掌握“濃度對化學(xué)平衡的影響”，進而科學(xué)建構(gòu)化學(xué)平衡概念。

手持技術(shù)主要由傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計算機等構(gòu)成，具有便攜、實時、準(zhǔn)確、綜合和直觀的特點，因此對化學(xué)平衡、化學(xué)反應(yīng)速率、電化學(xué)等抽象化學(xué)核心概念與原理的教學(xué)具有極大的輔助作用。本研究以手持技術(shù)為主要工具，深入研究KCl對Fe3+/SCN-平衡體系的影響[4～5]。

2 研究設(shè)計

2.1 實驗方案

為了使本研究實驗在化學(xué)教學(xué)實踐中方便演示與推廣，本研究中KCl溶液濃度選取0.04mol/L、 4.0mol/L和飽和溶液;KCl晶體質(zhì)量選取0.05、 0.10、 0.15、 0.20、 0.25g。對應(yīng)設(shè)置2組實驗進行探究，如表1所示。

2.2 實驗原理

FeCl3溶液與KSCN溶液混合反應(yīng)后，可以建立以下平衡：

Fe3+與SCN-還可生成[Fe（SCN）2]+、 Fe（SCN）3、 ……[Fe（SCN）6]3-等一系列配合物，在本實驗的濃度配比下，主要以[Fe（SCN）]2+形式存在。

[Fe（SCN）]2+可以吸收藍色光，故溶液的顏色為紅色。若將溶液裝入比色皿中，用色度計檢測其透光率（T），根據(jù)朗伯比爾定律，T=It/I0（I0： 入射光強度，It： 透射光強度，本研究用百分數(shù)來表示透光率）。溶液中[Fe（SCN）]2+的濃度越大，溶液的顏色越深，對光的吸收程度越大，透光率越小[6， 7]。

因本研究中混合前FeCl3溶液的濃度為0.005mol/L， Fe3+的濃度很小，顏色很淺，當(dāng)與KSCN溶液混合后，發(fā)生反應(yīng)消耗大量Fe3+，溶液中只剩余更少量Fe3+，故忽略原混合溶液中Fe3+顏色的影響。同時，因FeCl3溶液在酸性條件下配制，且濃度較低，故忽略Fe3+的水解反應(yīng)。

2.3 實驗用品

實驗儀器： 膠頭滴管、燒杯、玻璃棒、注射器（量程為1mL）、數(shù)據(jù)采集器、色度計、平板電腦

實驗藥品： FeCl3、 KSCN、 KCl、 NaCl、 NH4Cl、 KNO3、 NaNO3（本實驗藥品均為廣州化學(xué)試劑廠生產(chǎn)，純度為AR）

2.4 實驗步驟

在100mL小燒杯中混合25mL 0.005mol/L FeCl3溶液與25mL 0.01mol/L KSCN溶液，得到紅色混合溶液;取9只比色皿各加入3mL混合溶液，分別編號為1、 2……9;另取1只比色皿加入3mL去離子水，編號為10。

連接實驗裝置（如圖1），啟動數(shù)據(jù)采集器和平板電腦，設(shè)置采樣頻率1次/秒，時間為繼續(xù)。以去離子水為參比溶液校準(zhǔn)色度計傳感器[8～10]。

（1） 取1號比色皿放進色度計測量透光率，用注射器注入0.1mL 0.04mol/L KCl溶液，待透光率穩(wěn)定后點擊“停止”，保存數(shù)據(jù)。

（2） 取2～10號比色皿，按實驗方案設(shè)計（見表1）加入藥品，重復(fù)步驟（1）。

（3） 清理儀器，導(dǎo)出數(shù)據(jù)，在Origin 8.5軟件中作圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 實驗組1的實驗結(jié)果與分析

由圖2可知，往Fe3+/SCN-平衡體系中加入KCl溶液，混合溶液的透光率上升，顏色變淺，[Fe（SCN）]2+濃度減小，說明KCl溶液對Fe3+/SCN-平衡體系有影響;隨著加入KCl溶液濃度的增大，透光率差（平衡移動前后透光率的差值，取正值）增大，顏色變淺程度增加，說明KCl溶液對Fe3+/SCN-平衡體系影響程度增加。

經(jīng)計算，加入0.1mL飽和KCl溶液后，混合溶液的透光率差為9.4%，大于加入0.1mL去離子水后混合溶液的透光率差（0.9%）。按照教輔和日常教學(xué)中的解釋，即往Fe3+/SCN-平衡體系中加入KCl溶液，溶液顏色變化是由于體積的變化，也就是說顏色變化與加入的KCl溶液濃度無關(guān)，只與體積有關(guān)，若體積相同，則影響一致，這明顯與實驗結(jié)果不符。

圖3中實驗為空白對照，曲線先上升后平穩(wěn)，說明加水稀釋，混合溶液的顏色變淺，透光率升高，即注入0.1mL溶液會因為體積的變化而對混合溶液的透光率造成影響。經(jīng)計算，注入0.1mL去離子水后混合溶液透光率差為0.9%，小于向混合溶液中注入不同濃度KCl溶液的透光率變化值，說明KCl溶液本身也影響著混合溶液透光率的變化。

關(guān)于KCl引起Fe3+/SCN-平衡體系發(fā)生平衡移動的原因，筆者查閱了大量文獻和書籍發(fā)現(xiàn)目前說法不一，主要有以下3種。Driscoll[11]、柳一鳴[12]、高世雄[13]等認為出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因為“鹽效應(yīng)”，不能用簡單的化學(xué)平衡移動來解釋，因為往Fe3+/SCN-平衡體系中加入NaNO3、 NH4NO3等鹽也會使溶液顏色變淺，平衡向左移動。他們認為，雖然這些物質(zhì)與平衡無關(guān)，但均屬于電解質(zhì)，在溶液中發(fā)生電離。由于離子電場的作用，每一個離子都受到一群帶有異性電荷離子的包圍形成了“離子氛”。加入KCl、 NaNO3、 NH4NO3等鹽后，使得溶液中的Fe3+、 SCN-的行動受到一定程度的限制而使其有效濃度降低，從而導(dǎo)致平衡向左移動，溶液顏色變淺，該效應(yīng)即為“鹽效應(yīng)”。陳珍珠、施志斌[14]、吳永興[15]等認為KCl引起Fe3+/SCN-平衡移動的原因是加入KCl后發(fā)生了配體取代反應(yīng)： [Fe（SCN）]2++4Cl-[FeCl4]-+SCN-，使得[Fe（SCN）]2+濃度減少，溶液顏色變淺。顧曄[16]認為前兩種解釋在處理不同平衡體系問題時既對立又統(tǒng)一，電解質(zhì)的不同，2種原因的主次關(guān)系就不同，并認為往Fe3+/SCN-平衡體系中加入不含Cl-的鹽時，“鹽效應(yīng)”為主要原因;往Fe3+/SCN-平衡體系中加入含Cl-的鹽或鹽酸時，發(fā)生了配體取代反應(yīng)為主要原因。

基于以上文獻分析，筆者以本研究的實驗步驟，通過往4只裝有Fe3+/SCN-混合溶液的比色皿中分別加入0.1mL 0.04mol/L KNO3、 NaNO3、 NaCl、 NH4Cl溶液，做了4個KCl影響原因的探究實驗，實驗結(jié)果如下：

由圖4可知，往Fe3+/SCN-平衡體系中加入KNO3、 NaNO3、 NaCl、 NH4Cl晶體，混合溶液的透光率上升，顏色變淺，[Fe（SCN）]2+濃度減小，說明這4種鹽對Fe3+/SCN-平衡體系均有影響，且影響程度各不相同。

一方面，加入不含Cl-的KNO3、 NaNO3溶液，使得Fe3+/SCN-平衡體系顏色變淺，[Fe（SCN）]2+濃度減小，筆者認為，這是因為引起鹽效應(yīng)而使得混合溶液各離子的有效濃度降低，根據(jù)勒夏特列原理，F(xiàn)e3+/SCN-體系平衡向逆反應(yīng)方向移動，故[Fe（SCN）]2+濃度減小。因KNO3和NaNO3的平均活度因子不同，鹽效應(yīng)程度不同，故2個實驗[Fe（SCN）]2+濃度減少程度不同。另一方面，加入含Cl-的NaCl、 NH4Cl溶液，使得混合溶液中Cl-濃度大大增加，配體取代反應(yīng)[Fe（SCN）]2++4Cl-[FeCl4]-+SCN-不能忽略，該反應(yīng)的發(fā)生使得混合溶液中[Fe（SCN）]2+濃度減小，根據(jù)勒夏特列原理，F(xiàn)e3+/SCN-體系平衡向正反應(yīng)方向移動，但是移動的效果是削弱這種改變而不是消除，因此[Fe（SCN）]2+濃度仍減小。若加入氯鹽產(chǎn)生影響的原因僅為發(fā)生配體取代反應(yīng)，則加入等濃度等體積的NaCl、 NH4Cl溶液后，因Cl-濃度相同，影響的程度理應(yīng)相同，但實驗結(jié)果并非如此，說明往Fe3+/SCN-平衡體系中加入氯鹽，[Fe（SCN）]2+濃度減小，是鹽效應(yīng)和配體取代反應(yīng)共同作用的結(jié)果。二者作用的主次關(guān)系目前尚未可知，有待進一步探究。

3.2 實驗組2的實驗結(jié)果與分析

由圖5、 6可知，往Fe3+/SCN-平衡體系中加入KCl晶體，混合溶液的透光率上升，顏色變淺，[Fe（SCN）]2+濃度減小，說明KCl晶體對Fe3+/SCN-平衡體系有影響;隨著加入KCl晶體質(zhì)量的增大，透光率差增大，顏色變淺程度增加，說明KCl晶體對Fe3+/SCN-平衡體系影響程度增加。

由以上分析可知，KCl晶體對Fe3+/SCN-體系平衡會產(chǎn)生影響，且與KCl溶液對其的影響趨勢一致，這與教輔和日常教學(xué)中所做解釋，即“KCl晶體對Fe3+/SCN-體系平衡無影響”產(chǎn)生沖突，說明教輔和日常教學(xué)的解釋有失偏頗[17， 18]。圖5中發(fā)現(xiàn)，向Fe3+/SCN-平衡體系中加入0.25g KCl晶體時，曲線先上升后下降，然后再上升至趨于穩(wěn)定。曲線出現(xiàn)一個較大的凹峰，筆者隨之做了一個對比實驗，向去離子水中加入0.25g KCl晶體（見圖7），曲線中也出現(xiàn)了一個類似的凹峰，筆者認為，該峰可能是由于KCl晶體非常細小，在溶解的過程中懸浮在溶液中，使得透光率出現(xiàn)短暫不穩(wěn)定，并不影響實驗的結(jié)果分析。

4 結(jié)語

利用手持技術(shù)探究了KCl對Fe3+/SCN-平衡體系的影響，結(jié)果表明，向Fe3+/SCN-平衡體系中加入不同濃度和不同質(zhì)量梯度的KCl，溶液的透光率均增大，且透光率差隨著KCl濃度和質(zhì)量的增加而增加。說明KCl溶液和晶體均會對Fe3+/SCN-平衡體系產(chǎn)生影響，且KCl濃度持續(xù)增大，影響程度持續(xù)增加，課堂教學(xué)與教輔資料中就KCl對Fe3+/SCN-體系平衡影響的解釋與實驗結(jié)果不符。

通過4個驗證實驗，得出KCl對Fe3+/SCN-平衡體系產(chǎn)生影響是鹽效應(yīng)和配體取代反應(yīng)共同作用的結(jié)果，二者作用的主次關(guān)系目前尚未可知，有待進一步探究。

參考文獻：

[1]錢揚義，張積家，羅秀玲等.化學(xué)概念與化學(xué)“學(xué)科關(guān)鍵詞”的學(xué)習(xí)與認知[M].北京： 科學(xué)出版社， 2009： 124～125.

[2]李言萍，錢揚義，陳博殷等.利用數(shù)字化手持技術(shù)探究電解硫酸銅水溶液過程中陽極附近pH變化[J].化學(xué)教育， 2017， 38（3）： 48～54.

[3]宋心琦主編.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書·化學(xué)反應(yīng)原理（選修）[M].北京： 人民教育出版社， 2007： 26～27.

[4][6][8]錢揚義，葉靜怡，鄧峰等.手持技術(shù)在化學(xué)學(xué)習(xí)中的應(yīng)用與建模研究[M].北京： 科學(xué)出版社， 2009： 4～5.

[5][7][9]王磊，魏銳，范林等.傳感技術(shù)——化學(xué)實驗探究手冊[M].北京： 北京師范大學(xué)出版社， 2007： 29.

[10]韋新平.基于SOLO分類理論的化學(xué)“四重表征” ?教學(xué)研究——以“濃度對化學(xué)平衡的影響”為例[J].化學(xué)教學(xué)， 2013， （10）： 31～33， 49.

[11][17]Driscoll D.R. “Invitation to enquiry”： The Fe3+/CNS- equilibrium [J]. J. chem. educ， 1979，56（9）： 603.

[12]柳一鳴.對氯化鉀影響平衡問題的商討[J].化學(xué)教育， 1993，（06）： 39.

[13]高世雄.濃度對化學(xué)平衡移動影響實驗中的一個誤解[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考， 1983，（03）： 33.

[14]陳珍珠，施志斌.氯化鉀對鐵鹽和硫氰化鉀的顯色反應(yīng)的影響[J].福建基礎(chǔ)教育研究， 2015，（08）： 83.

[15][18]吳永興.固體KCl對FeCl3和KSCN溶液反應(yīng)平衡移動的再討論[J].化學(xué)教學(xué)， 1994， （07）： 49～50.

[16]顧曄.三氯化鐵與硫氰化鉀平衡體系顏色變化的探討[J].化學(xué)教育， 2014， 35（11）： 85～86.