“化學反應限度”教學設計

文章編號：1005－6629(2010)11－0042－04 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

1教材分析

化學反應中的物質變化及伴隨發生的能量變化是化學反應的兩大特征，但當一個具體的化學反應應用于實際時，我們最關心的問題是反應的速率和限度。在《化學1》“氯氣的性質”中，學生已感知可逆反應，如何確定探究思想并通過實驗揭示某些反應存在限度、把握反應達到最大限度時平衡狀態的特點和平衡轉化率等是本節的教學要點。

教師應該圍繞核心問題的靈魂，設置富有邏輯性、遞進性的問題，幫助學生打開從微觀、動態的角度認識化學反應平衡的視角。

調控反應條件、改變反應限度及對化學平衡狀態特征的理解與判斷，是較深層次的要求。本著分層推進、螺旋攀升的原則，在此不必展開；有興趣的同學將在選修模塊《化學反應原理》中深入學習，這也符合學生接受知識的認知順序。

2教學目標

(1)揭秘煉鐵高爐懸念，認識化學反應的可逆性。

(2)通過實驗，了解化學反應的限度，初步形成運用探究手段解決問題的能力。

(3)結合圖表數據分析，從濃度變化角度建構可逆反應的平衡狀態。

(4)通過交流討論，培養學生嚴謹細致的科學態度、實事求是的質疑精神。

3教學過程

[史話激疑]鋼鐵生產是17世紀從英國開始的第一次產業革命的兩大支柱之一。高爐煉鐵的主要反應是：Fe2O3+3CO Fe+3CO2，其中CO產生的反應是： C（焦炭）+O2（空氣）=CO2（放出熱量）、 C（焦炭）+CO2=2CO（吸收熱量）。但煉制1噸生鐵所需要焦炭的實際用量，遠高于按照化學反應方程式計算所需的量，且從高爐頂端出來的氣體中總含有沒被充分利用的CO氣體。起初，煉鐵工程師們認為是CO與鐵礦石接觸不夠充分之故，于是設法增加高爐的高度。然而令人吃驚的是，高爐增高后，高爐尾氣中CO的比例竟然沒有改變。這成了煉鐵技術的科學懸念，你能揭開煉鐵工程師們的困惑嗎？

[討論揭秘]19世紀下半葉，法國科學家勒夏特列經過深入研究，終將謎底揭開：C + CO2

2CO是一個可逆反應，并且自下而上發生在高爐中有焦炭的地方；后來的研究還發現，在高爐中Fe2O3與CO反應也不能全部轉化為Fe和CO2。增加高爐高度只是延長了反應時間，而反應已達到平衡，各物質的量不會再隨時間而變化，所以，上述做法徒勞無益。

[小結①]可逆反應

許多反應具有可逆性，即正向反應（反應物→生成物）和逆向反應（生成物→反應物）在同樣條件下能同時進行，這種反應稱為可逆反應。

[討論交流]水的生成和電解、CO2和H2O在植物體中通過光合作用合成糖與糖在人體內氧化生成CO2和H2O，它們是否屬于可逆反應？談談你的見解。

[誘導思考]在硫酸的工業生產中，二氧化硫的催化氧化是制約硫酸產率的關鍵反應。請思考若將2 mol SO2與1 mol O2混合于2 L密閉容器，充分反應后，能否得到2 mol SO3？現為你提供某同學實驗過程的數據記錄(見表1)，愿對你有所幫助。

[小結②]反應限度

在一定條件下，可逆反應最終進行到所有反應物和生成物共存、且濃度均不再改變的狀態，即化學反應進行到能完成的最大程度，我們稱之為反應限度。反應限度決定反應物在該條件下的最大轉化率(或平衡轉化率)。

[能力培養]怎樣通過實驗來證實反應存在限度？應本著怎樣的原則來設計實驗？現為你提供下列試劑和儀器：0.1 mol·L-1 KI溶液、 0.1mol·L-1 FeCl3溶液、CCl4、KSCN溶液、小試管、膠頭滴管。請判斷FeCl3溶液與KI溶液之間的反應能否進行到底？

[實驗設計]①取5 mL 0.1 mol·L-1 KI溶液放入試管，滴加5～6滴0.1 mol·L-1 FeCl3溶液，振蕩、靜置、觀察。②繼續加入2 mL CCl4溶液，再次充分振蕩，靜置、觀察。③取上層溶液，向其中滴加KSCN溶液，觀察。填寫下表：

[分析探究]實驗①無非常明顯的特征現象，表明正向反應是否發生，需通過實驗來證實；實驗②用CCl4萃取分離出單質碘，表明正向反應的發生；實驗③現象表明少量FeCl3溶液與過量KI溶液混合后，Fe3+仍然存在，說明正向反應沒有完全進行到底，即反應有一定限度。

[小結③]設計上述探究實驗的原則

①有意識地控制反應物用量。②選擇合適的試劑證明正向反應的發生和進行程度（證明相對不足物質仍存在），實質是常見物質和離子的檢驗，③從離子反應的角度來看，如檢驗K+、Cl-等離子的存在，既不能證明正向反應的發生，也不能證明正向反應進行不夠徹底，因為這些離子在反應中都沒有被消耗。

[提問推進]在一定溫度、壓強下，可逆反應進行到最大限度時，反應體系處于一種表面靜止的特殊狀態，即化學平衡狀態（簡稱化學平衡）。它有哪些特征？我們還可以從哪些參數判斷反應是否處于平衡狀態？我們可以從某同學根據上表數據繪制的如下圖像上，進行探討。

[歸納總結]3.化學平衡狀態

（1）化學平衡狀態：可逆反應在限定條件下所能達到的最大限度時所對應的狀態，此時正反應和逆反應的反應速率相等，反應物和生成物濃度不再變化。

（2）化學平衡狀態特征：動（動態平衡）、 等 （v正=v逆）、 定（各物質濃度不再變化）、變（維持平衡的條件發生改變，平衡狀態也將隨之改變）。

[拓展變化]反應達到平衡時，正、逆反應仍以相等速率進行，反應物和生成物濃度不再變化，這顯示反應不完全的必然性。作為反應體系整體，某些性質參數也不再變化，它們能否作為反應達到平衡的標志？

[練習思考]在一定溫度下，反應A(s)+3B(g)

C(g)+2D(g)在恒容的密閉容器中進行，下列說法能說明反應一定達到平衡狀態的是（ ）

A. B、C、D的物質的量濃度比為3:1:2

B. 混合氣體的密度不變

C. 混合氣體的壓強不變

D. 混合氣體的平均相對分子質量不變

[分析]平衡時各物質的量濃度比不變，但未必強求與計量系數比相等；平衡濃度還受到起始濃度的影響。混合氣體的密度在恒容時取決于容器內氣體的質量之和，B、C、D的質量之和不變，就意味著A的質量也不變，即A的生成和消耗相等。恒容時容器壓強取決于容器內所有氣體的物質的量之和，而本反應前后氣體體積沒有變化，即無論平衡是否形成，容器內氣體的壓強一直不變。混合氣體的平均相對分子質量即混合氣體的質量與混合氣體物質的量之和的比值相等，結合B、C分析可知，只有達到平衡狀態，混合氣體的平均相對分子質量才能不變。答案：B、D。

[總結]（3）化學平衡狀態判斷：

①等：v正=v逆（本質） ②定：平衡體系相關性質參數不再變化（現象）

[教師講解]：化學平衡狀態判斷尺度由平衡狀態的形成和特征而來：一是“等”，要能從文字表述中確定反應方向，“等”不是機械的，對不同物質而言，要在比例關系上尋求相等；二是“定”，其含義廣泛，實際判定時要聯系反應容器特點、化學反應特點和表述的具體性質參數慎重分析，不可盲目、隨意。

[知識運用]在20世紀60～70年代英國進行的一項研究結果表明，“高煙囪可以有效降低地面二氧化硫的濃度”。于是，各發達工業國家硫酸生產廠的煙囪競相攀升（如圖2所示）。據統計，英國某發電廠在這10年間排放的二氧化硫增加了35 %，但由于建造了高煙囪，工廠附近地面二氧化硫的濃度降低了30 %之多。請你判斷英國的研究結果是否科學？試從全球環境保護的角度，分析這種做法是否可取？

[釋疑解惑]煙囪升高，并沒有提高二氧化硫的轉化率。排放的二氧化硫只是隨著氣流“移動”到遠處“灑落”罷了，從全球環境保護的角度看，這種做法并不可取。當然，增加煙囪高度與增加煉鐵高爐高度做法相似，反應限度、化學平衡并沒有改變的道理，需要在以后的選修模塊學習時才能了解。

[鞏固練習]（2008江蘇高考卷，有刪減）將一定量SO2和含0.7 mol氧氣的空氣（忽略CO2）放入一定體積的密閉容器中，550 ℃時，在催化劑作用下發生反應：2SO2+O2 2SO3。反應達到平衡后，將容器中的混合氣體通過過量的NaOH溶液，氣體體積減少了21.28 L；再將剩余氣體通過焦性沒食子酸的堿性溶液吸收O2，氣體的體積又減少了5.6 L(以上氣體體積均為標準狀況下的體積)。請回答下列問題：

(1）判斷該反應達到平衡狀態的標志是_____。

Ａ． SO2和SO3濃度相等

B． SO2百分含量保持不變

C． 容器中氣體的壓強不變

D. SO3的生成速率與SO2的消耗速率相等

E． 容器中混合氣體的密度保持不變

(2)求該反應達到平衡時SO2的轉化率（用百分數表示，結果保留一位小數）。

答案：（1）B、C； （2）94.7 %

4 教學反思

教師要善于同學生對話、采用富有意義和效果的教學策略。從破解煉鐵高爐懸念切入營造教學情境；觀察實驗現象引起認知沖突，以促使學生提出假設；提供圖表數據變化圖像供學生分析，以形成對話與建構的契機和平臺。認真傾聽學生的見解與預設不一致的地方，那是學生學習的障礙點，也是教學設計中不夠完美的地方。如前述探究實驗①中，有學生認為Fe3+的存在是由于Fe2+被氧化的結果，學生的回答沒有支持反應存在限度，該怎樣說服學生（I-過量、且還原性比Fe2+強）顯示教師的教學機智。關注課堂意外，就是尊重學生，體現主導為主體服務的課程理念。

我認為蘇教版將氯水中多種微粒并存歸因于“氯氣與水發生可逆反應”的理由不夠充分，因為無法排除溶解平衡的干擾；而建構化學反應限度的實驗設計則較好——反應是溶液體系，便于取樣和檢驗。教材分別圍繞Cl2+H2O、FeCl3+KI、N2+H2反應引入可逆反應、反應限度、化學平衡等概念，顯得比較凌亂。本篇教學設計圍繞二氧化硫催化氧化漸次展開對核心問題—可逆反應的分析、討論、理解和應用，突出了課堂教學的靈魂，是活用教材的具體體現。