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标题 KCl浓度对Fe3+/SCN-平衡体系影响的实验探究
范文 唐文秀 钱扬义 陈雪飞 王立新 陈秋伶






摘要： 利用手持技术设计2组实验，分别探究不同浓度的KCl溶液和不同质量的KCl晶体对Fe3+/SCN-平衡体系的影响。发现KCl溶液和晶体均使Fe3+/SCN-平衡体系颜色变浅，且变浅程度随KCl浓度和质量的增大而增大。继而设计4个实验以探究KCl的影响原因。结果表明： KCl使Fe3+/SCN-平衡体系颜色变浅原因是盐效应和配体取代反应共同作用的结果，二者的主次作用目前尚不明确。
关键词： Fe3+/SCN-平衡体系; KCl浓度; 色度计传感器; 实验探究
文章编号： 1005-6629（2018）11-0085-05中图分类号： G633.8文献标识码： B
1 问题提出
中学化学共涉及700多个化学概念，钱扬义等根据其重要程度排名从中筛选出100个作为“化学学科关键词”，“化学平衡”的重要程度排在第25位，是中学化学非常重要的化学概念[1～2]。“化学平衡”是人教版高中化学选修四第二章第三节的核心化学概念[3]，是学生后续学习电离平衡、水解平衡及沉淀溶解平衡等的关键铺垫。
中学化学考试中常出现以下考点——KCl是否会对FeCl3与KSCN络合反应平衡有影响？答案解释为： 因该络合反应的离子方程式为Fe3++SCN-[Fe（SCN）]2+，无KCl，故KCl物质本身对该反应无影响，若加入KCl溶液，由于引起了溶液体积的变化，故平衡发生移动;若加入KCl晶体，因未引起溶液体积的变化，故平衡不移动。笔者通过对广州市5所中学高二师生的半结构访谈，了解到一线教师在教学中对该知识点的解释也是如此。然而，教材上并没有通过实验科学探究该知识点，即此答案尚无科学的证据支持。因此深入研究KCl对Fe3+/SCN-平衡体系的影响十分必要，研究结果将有助于学生科学掌握“浓度对化学平衡的影响”，进而科学建构化学平衡概念。
手持技术主要由传感器、数据采集器、计算机等构成，具有便携、实时、准确、综合和直观的特点，因此对化学平衡、化学反应速率、电化学等抽象化学核心概念与原理的教学具有极大的辅助作用。本研究以手持技术为主要工具，深入研究KCl对Fe3+/SCN-平衡体系的影响[4～5]。
2 研究设计
2.1 实验方案
为了使本研究实验在化学教学实践中方便演示与推广，本研究中KCl溶液浓度选取0.04mol/L、 4.0mol/L和饱和溶液;KCl晶体质量选取0.05、 0.10、 0.15、 0.20、 0.25g。对应设置2组实验进行探究，如表1所示。
2.2 实验原理
FeCl3溶液与KSCN溶液混合反应后，可以建立以下平衡：
Fe3+与SCN-还可生成[Fe（SCN）2]+、 Fe（SCN）3、 ……[Fe（SCN）6]3-等一系列配合物，在本实验的浓度配比下，主要以[Fe（SCN）]2+形式存在。
[Fe（SCN）]2+可以吸收蓝色光，故溶液的颜色为红色。若将溶液装入比色皿中，用色度计检测其透光率（T），根据朗伯比尔定律，T=It/I0（I0： 入射光强度，It： 透射光强度，本研究用百分数来表示透光率）。溶液中[Fe（SCN）]2+的浓度越大，溶液的颜色越深，对光的吸收程度越大，透光率越小[6， 7]。
因本研究中混合前FeCl3溶液的浓度为0.005mol/L， Fe3+的浓度很小，颜色很浅，当与KSCN溶液混合后，发生反应消耗大量Fe3+，溶液中只剩余更少量Fe3+，故忽略原混合溶液中Fe3+颜色的影响。同时，因FeCl3溶液在酸性条件下配制，且浓度较低，故忽略Fe3+的水解反应。
2.3 实验用品
实验仪器： 胶头滴管、烧杯、玻璃棒、注射器（量程为1mL）、数据采集器、色度计、平板电脑
实验药品： FeCl3、 KSCN、 KCl、 NaCl、 NH4Cl、 KNO3、 NaNO3（本实验药品均为广州化学试剂厂生产，纯度为AR）
2.4 实验步骤
在100mL小烧杯中混合25mL 0.005mol/L FeCl3溶液与25mL 0.01mol/L KSCN溶液，得到红色混合溶液;取9只比色皿各加入3mL混合溶液，分别编号为1、 2……9;另取1只比色皿加入3mL去离子水，编号为10。
连接实验装置（如图1），启动数据采集器和平板电脑，设置采样频率1次/秒，时间为继续。以去离子水为参比溶液校准色度计传感器[8～10]。
（1） 取1號比色皿放进色度计测量透光率，用注射器注入0.1mL 0.04mol/L KCl溶液，待透光率稳定后点击“停止”，保存数据。
（2） 取2～10号比色皿，按实验方案设计（见表1）加入药品，重复步骤（1）。
（3） 清理仪器，导出数据，在Origin 8.5软件中作图。
3 结果与分析
3.1 实验组1的实验结果与分析
由图2可知，往Fe3+/SCN-平衡体系中加入KCl溶液，混合溶液的透光率上升，颜色变浅，[Fe（SCN）]2+浓度减小，说明KCl溶液对Fe3+/SCN-平衡体系有影响;随着加入KCl溶液浓度的增大，透光率差（平衡移动前后透光率的差值，取正值）增大，颜色变浅程度增加，说明KCl溶液对Fe3+/SCN-平衡体系影响程度增加。
经计算，加入0.1mL饱和KCl溶液后，混合溶液的透光率差为9.4%，大于加入0.1mL去离子水后混合溶液的透光率差（0.9%）。按照教辅和日常教学中的解释，即往Fe3+/SCN-平衡体系中加入KCl溶液，溶液颜色变化是由于体积的变化，也就是说颜色变化与加入的KCl溶液浓度无关，只与体积有关，若体积相同，则影响一致，这明显与实验结果不符。
图3中实验为空白对照，曲线先上升后平稳，说明加水稀释，混合溶液的颜色变浅，透光率升高，即注入0.1mL溶液会因为体积的变化而对混合溶液的透光率造成影响。经计算，注入0.1mL去离子水后混合溶液透光率差为0.9%，小于向混合溶液中注入不同浓度KCl溶液的透光率变化值，说明KCl溶液本身也影响着混合溶液透光率的变化。
关于KCl引起Fe3+/SCN-平衡体系发生平衡移动的原因，笔者查阅了大量文献和书籍发现目前说法不一，主要有以下3种。Driscoll[11]、柳一鸣[12]、高世雄[13]等认为出现该现象的原因为“盐效应”，不能用简单的化学平衡移动来解释，因为往Fe3+/SCN-平衡体系中加入NaNO3、 NH4NO3等盐也会使溶液颜色变浅，平衡向左移动。他们认为，虽然这些物质与平衡无关，但均属于电解质，在溶液中发生电离。由于离子电场的作用，每一个离子都受到一群带有异性电荷离子的包围形成了“离子氛”。加入KCl、 NaNO3、 NH4NO3等盐后，使得溶液中的Fe3+、 SCN-的行动受到一定程度的限制而使其有效浓度降低，从而导致平衡向左移动，溶液颜色变浅，该效应即为“盐效应”。陈珍珠、施志斌[14]、吴永兴[15]等认为KCl引起Fe3+/SCN-平衡移动的原因是加入KCl后发生了配体取代反应： [Fe（SCN）]2++4Cl-[FeCl4]-+SCN-，使得[Fe（SCN）]2+浓度减少，溶液颜色变浅。顾晔[16]认为前两种解释在处理不同平衡体系问题时既对立又统一，电解质的不同，2种原因的主次关系就不同，并认为往Fe3+/SCN-平衡体系中加入不含Cl-的盐时，“盐效应”为主要原因;往Fe3+/SCN-平衡体系中加入含Cl-的盐或盐酸时，发生了配体取代反应为主要原因。
基于以上文献分析，笔者以本研究的实验步骤，通过往4只装有Fe3+/SCN-混合溶液的比色皿中分别加入0.1mL 0.04mol/L KNO3、 NaNO3、 NaCl、 NH4Cl溶液，做了4个KCl影响原因的探究实验，实验结果如下：
由图4可知，往Fe3+/SCN-平衡体系中加入KNO3、 NaNO3、 NaCl、 NH4Cl晶体，混合溶液的透光率上升，颜色变浅，[Fe（SCN）]2+浓度减小，说明这4种盐对Fe3+/SCN-平衡体系均有影响，且影响程度各不相同。
一方面，加入不含Cl-的KNO3、 NaNO3溶液，使得Fe3+/SCN-平衡体系颜色变浅，[Fe（SCN）]2+浓度减小，笔者认为，这是因为引起盐效应而使得混合溶液各离子的有效浓度降低，根据勒夏特列原理，Fe3+/SCN-体系平衡向逆反应方向移动，故[Fe（SCN）]2+浓度减小。因KNO3和NaNO3的平均活度因子不同，盐效应程度不同，故2个实验[Fe（SCN）]2+浓度减少程度不同。另一方面，加入含Cl-的NaCl、 NH4Cl溶液，使得混合溶液中Cl-浓度大大增加，配体取代反应[Fe（SCN）]2++4Cl-[FeCl4]-+SCN-不能忽略，该反应的发生使得混合溶液中[Fe（SCN）]2+浓度减小，根据勒夏特列原理，Fe3+/SCN-体系平衡向正反应方向移动，但是移动的效果是削弱这种改变而不是消除，因此[Fe（SCN）]2+浓度仍减小。若加入氯盐产生影响的原因仅为发生配体取代反应，则加入等浓度等体积的NaCl、 NH4Cl溶液后，因Cl-浓度相同，影响的程度理应相同，但实验结果并非如此，说明往Fe3+/SCN-平衡体系中加入氯盐，[Fe（SCN）]2+浓度减小，是盐效应和配体取代反应共同作用的结果。二者作用的主次关系目前尚未可知，有待进一步探究。
3.2 实验组2的实验结果与分析
由图5、 6可知，往Fe3+/SCN-平衡体系中加入KCl晶体，混合溶液的透光率上升，颜色变浅，[Fe（SCN）]2+浓度减小，说明KCl晶体对Fe3+/SCN-平衡体系有影响;随着加入KCl晶体质量的增大，透光率差增大，颜色变浅程度增加，说明KCl晶体对Fe3+/SCN-平衡体系影响程度增加。
由以上分析可知，KCl晶体对Fe3+/SCN-体系平衡会产生影响，且与KCl溶液对其的影响趋势一致，这与教辅和日常教学中所做解释，即“KCl晶体对Fe3+/SCN-体系平衡无影响”产生冲突，说明教辅和日常教学的解释有失偏颇[17， 18]。图5中发现，向Fe3+/SCN-平衡体系中加入0.25g KCl晶体时，曲线先上升后下降，然后再上升至趋于稳定。曲线出现一个较大的凹峰，笔者随之做了一个对比实验，向去离子水中加入0.25g KCl晶体（见图7），曲线中也出现了一个类似的凹峰，笔者认为，该峰可能是由于KCl晶体非常细小，在溶解的过程中悬浮在溶液中，使得透光率出现短暂不稳定，并不影响实验的结果分析。
4 结语
利用手持技术探究了KCl对Fe3+/SCN-平衡体系的影响，结果表明，向Fe3+/SCN-平衡体系中加入不同浓度和不同质量梯度的KCl，溶液的透光率均增大，且透光率差随着KCl浓度和质量的增加而增加。说明KCl溶液和晶体均会对Fe3+/SCN-平衡体系产生影响，且KCl浓度持续增大，影响程度持续增加，课堂教学与教辅资料中就KCl对Fe3+/SCN-体系平衡影响的解释与实验结果不符。
通过4个验证实验，得出KCl对Fe3+/SCN-平衡体系产生影响是盐效应和配体取代反应共同作用的结果，二者作用的主次关系目前尚未可知，有待进一步探究。
参考文献：
[1]钱扬义，张积家，罗秀玲等.化学概念与化学“学科关键词”的学习与认知[M].北京： 科学出版社， 2009： 124～125.
[2]李言萍，钱扬义，陈博殷等.利用数字化手持技术探究电解硫酸铜水溶液过程中阳极附近pH变化[J].化学教育， 2017， 38（3）： 48～54.
[3]宋心琦主编.普通高中课程标准实验教科书·化学反应原理（选修）[M].北京： 人民教育出版社， 2007： 26～27.
[4][6][8]錢扬义，叶静怡，邓峰等.手持技术在化学学习中的应用与建模研究[M].北京： 科学出版社， 2009： 4～5.
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[14]陈珍珠，施志斌.氯化钾对铁盐和硫氰化钾的显色反应的影响[J].福建基础教育研究， 2015，（08）： 83.
[15][18]吴永兴.固体KCl对FeCl3和KSCN溶液反应平衡移动的再讨论[J].化学教学， 1994， （07）： 49～50.
[16]顾晔.三氯化铁与硫氰化钾平衡体系颜色变化的探讨[J].化学教育， 2014， 35（11）： 85～86.
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更新时间：2024/12/22 23:06:29