新課程背景下《化學反應原理》中典型問題解決模型的構建

周世平

（江蘇海安立發中學 江蘇 海安 226600）

提高學生的問題解決能力一直都是一線教師和廣大科研人員努力期望解決的問題。各個國家、地區和國際組織都在努力把學生的問題解決能力的培養作為基礎教育階段學生素質培養的重要內容和學生終身學習的必備技能。國際經濟合作與發展組織（OECD）在1996年的報告中強調國家負有實現公民終身學習的使命，并指出問題解決是終身學習必備的素質之一。《普通高中化學課程標準》指出新課程對學生的評價應關注“考查學生綜合運用所學知識、技能和方法分析和解決問題的能力。”

一、《化學反應原理》中問題解決模型構建的必要性

新課程《化學反應原理》主要包括以下幾個方面的內容：化學反應與能量、化學反應速率和化學平衡以及溶液中的離子平衡等方面。以化學反應原理的知識為基礎和背景的習題可謂“題海”，題目成千上萬、形式千變萬化，若不掌握適當的解題技巧，此部分的學習將會很被動。化學問題解決模型的構建和運用情況是學生化學問題解決能力強與弱的重要表現。通過對學生解決化學問題過程中的策略的使用情況進行研究有助于發現學生問題解決過程中存在的問題，有助于學生在問題解決過程中積極地進行反思和自我監控，有助于提高學生的問題解決能力，有助于全面提高學生的化學素養。

二、《化學反應原理》中典型問題解決的模型構建策略

在教學中，特別是在高三化學復習的過程中，以《化學反應原理》中的主干知識為基礎，引導學生有針對性地建立不同典型問題解決的模型，一方面可以讓學生在應對新的問題時有據可依，另一方面可以跳出“題海”，能輕松把握《化學反應原理》中典型問題的解題規律和技巧。

1.以蓋斯定律為基礎的熱化學問題中的圖形分析模型構建

化學反應中能量的變化，通常表現為熱量的變化。而化學反應中能量變化的本質原因是化學反應中舊化學鍵的斷裂和新化學鍵的形成。平時考試或高考中涉及此類的考題多為選擇題和填空題。學生在解此類題時經常會將能量變化的符號搞錯，還容易將物質能量的高低與物質中化學鍵的鍵能大小混淆。圖示法是提高解決此類題正確率的一種好辦法，下面通過例題來說明此法的應用。

【例題1】已知25℃、101kPa下，石墨、金剛石燃燒的熱化學方程式分別為：

C（石墨）+O2（g）＝CO2（g） ΔH＝-393.51 kJ／mol

C（金剛石）+O2（g）＝CO2（g） ΔH＝-395.41 kJ／mol

據此判斷，下列說法正確的是（ ）

A.金剛石的燃燒熱比石墨的燃燒熱小

B.石墨晶體中碳碳鍵的強度小于金剛石

C.石墨的能量比金剛石的能量高

D.由石墨制備金剛石一定是吸熱反應

【分析】解決此題需要學生準確理解燃燒熱（ΔH＜0）的概念、熟練運用蓋斯定律、理清化學鍵鍵能與物質所具有能量高低的關系、判斷能量變化與化學反應是吸熱還是放熱的關系。故學生經常會錯選。若借助于圖示法，既可省時，又可提高正確率。

【說明】用圖示法的關鍵要清楚上述兩個反應都是放熱反應（ΔH＜0）說明生成物的能量比反應物的能量要低，根據題目中提供的信息轉化成右圖。

根據距離 a＞c，可判斷 A 錯誤；根據 c＜a，可判斷石墨具有的能量低，說明石墨中碳碳鍵的強度大于金剛石中的碳碳鍵。從而得到B、C錯誤，D正確。

2.以化學反應速率和化學平衡為基礎的化學問題中的數學等式模型構建

以化學反應速率和化學平衡為基礎的問題具有的特點是在題目中出現一系列的數據，需要結合相應的概念或定義進行數據處理。這類題既可能是直接的簡單化學計算，也可能是間接的應用化學原理的推算或是化學計量關系的運算結果。因其靈活性強、迷惑性大、對解題的技巧要求高，往往成為學生解題的障礙。通過這類題型中建立起始量、變化量與平衡量之間的數學等式關系，可以讓學生理清思路，排除干擾，順利解決相應問題。

起始濃度 甲 乙 丙c（H2） ／mol／L 0.010 0.020 0.020 c（CO2） ／mol／L 0.010 0.010 0.020

下列判斷不正確的是 （ ）

A.平衡時，乙中CO2的轉化率大于60%

B.平衡時，甲中和丙中H2的轉化率均是60%

C.平衡時，丙中 c（CO2）是甲中的 2 倍，是 0.012mol／L

D.反應開始時，丙中的反應速率最快，甲中的反應速率最慢

【分析】由題意列出起始量、變化量與平衡量之間的數學等式關系，進行計算：

A項：甲中CO2轉化率為60%，而乙可認為是在甲的基礎上增大了H2的濃度，使平衡右移，CO2轉化率增大，故大于60%，正確；B項：甲和丙中H2轉化率均為60%，正確；C項：丙中的平衡濃度是甲的2倍，但計算出的平衡濃度為0.008mol／L，錯誤；D項：丙中起始濃度最大，速率最快，甲中起始濃度最小，速率最慢，正確。

【說明】此類題考查學生對化學反應的可逆性、化學平衡、化學平衡常數和溫度對化學平衡的影響的了解，考查學生計算綜合平衡常數和平衡轉化率的能力，及知識遷移能力，難度中等，運用數學關系式法建立解題模型有助于培養學生分析問題思路的嚴密性。

3.以等效平衡為基礎的高考熱點化學問題中的中間體模型構建

等效平衡是由于可逆反應化學平衡的達成與建立的途徑無關而造成的。等效平衡是在一定條件下（定溫、定容或定溫、定壓），對同一個可逆反應，起始時加入物質的物質的量不同，而達到化學平衡時，同種物質的含量相同，這樣的平衡稱為等效平衡。與等效平衡相關的許多問題的解決比較抽象，有時也難以表達清楚。若能在解題過程中建立“中間體”作為問題解決的過渡，那將會做到事半功倍的效果。

【例題3】在一個盛有催化劑容積可變的密閉容器中，保持一定的溫度和壓強，進行以下反應：N2+3H2?2NH3。已知加入1 mol N2、4mol H2時，達到平衡后生成amolNH3（見表中已知項），在相同溫度和壓強下保持平衡后各組分體積分數不變，對下列編號②～④的狀態，填寫表中空白。

已知編號平衡時NH3的物質的量／mol N2 H2 NH3① 1 4 0 a②1 0.5a③ 1.5 6 0④ m g（g≥4m）始態的物質的量／mol

【分析】由題意知②與①的平衡狀態互為等效平衡，②中平衡時NH3的物質的量為①的一半，設①達到平衡的過程如下圖。

設想我們可以用隔板將①中平衡狀態均分為A、B兩部分，那么A（B）與整體當然處于等效平衡且A（B）中NH3的量為0.5a mol，所以我們可認為A（B）部分為②的平衡態，那么達到B平衡態的初始狀態當然也為達到①平衡態的初始狀態的一半，即可用下圖表示：

即達到②的平衡的初始的物質的量為：n（N2）＝0.5mol、n（H2）＝2mol、n（NH3）＝0 mol而經過等量互換，當n（NH3）＝1mol時，n（N2）＝0mol，n（H2）＝1.5mol。同理知①為③這個整體的2／3，故③達到平衡時1.5a。同理，設始態NH3為x，平衡時NH3為y，則有

得 x＝2（g-4m） y＝（g-3m）a。

【說明】這類等效平衡可形象地理解為整體與局部的關系。即在恒溫恒壓下，當兩初始狀態符合局部與整體的關系時，那么相對應的平衡態也就符合局部與整體的關系。反之亦然。

4.以電化學知識為基礎的化學問題中的“化學核心知識”模型構建

電化學涉及到原電池的工作原理、電解池的工作原理及電化學腐蝕。由于新型電池的開發和應用發展速度迅猛，所以在各地的高考題中出現了以各種各樣的充電電池為背景的考題。這勢必為學生的復習和問題解決增加難度。但如果仔細分析各地高考試題的特點，就會發現所有有關新型電池的考查都可以回歸到電化學的最基礎、最核心的知識上。只要學生能對電化學的核心知識即“銅鋅原電池的工作原理”、“電解池的工作原理”理解透徹，就能以不變應萬變。

【例題4】鉛蓄電池的工作原理為：Pb+PbO2+2H2SO4＝2PbSO4+2H2O。研讀右圖，下列判斷不正確的是 （ ）

A.K閉合時，d電極反應式：

B.當電路中轉移0.2mol電子時，I中消耗的 H2SO4為 0.2 mol

C.K閉合時，II中SO2-

4向c電極遷移

D.K閉合一段時間后，II可單獨作為原電池，d電極為正極

【分析】本題考查電化學（原電池、電解池）的相關知識。K閉合時Ⅰ為電解池，Ⅱ為電解池，Ⅱ中發生充電反應，d電極為陽極發生氧化反應，其反應式為PbSO4+2H2O-2e-＝PbO2+4H++SO42-所以A正確。在上述總反應式中，得失電子總數為2e-，當電路中轉移0.2mol電子時，可以計算出Ⅰ中消耗的硫酸的量為0.2mol，所以B對。K閉合一段時間，也就是充電一段時間后Ⅱ可以作為原電池，由于c表面生成Pb，放電時做電源的負極，d表面生成PbO2，做電源的正極，所以D也正確。K閉合時d是陽極，陰離子向陽極移動，所以C錯。

【說明】此問題及與引相類似的問題要求學生對電化學的“核心知識”掌握牢靠。

5.以溶液中的離子反應為基礎的化學問題中的“三大守恒思想”模型構建

以溶液中離子反應為基礎的化學問題也是近幾年高考必考問題。對于電解質溶液中存在的物料守恒、電荷守恒、質子守恒的書寫要熟練，同時要會變形應用。

【例題5】下列濃度關系正確的是 （ ）

A.氯水中：c（Cl2）＝2［c（Cl-）+c（ClO-）+c（HClO）］

B.氯水中：c（Cl-）＞c（H+）＞c（OH-）＞c（ClO-）

C.等體積等濃度的氫氧化鈉與醋酸混合：c（Na+）＝c（CH3COO-）

【分析】根據氯水中所含粒子的種類可知氯水中也含有氯氣分子A設置了一個貌似物料守恒的式子而忽視了氯氣分子的存在，故A錯；根據Cl2+H2O?HClO+H++Cl-，HCl完全電離而HClO部分電離，可知正確的順序 c（H+）＞c（Cl-）＞c（ClO-）＞c（OH-），B 錯；C 項中等物質的量的強堿與弱酸混合生成強堿弱酸鹽溶液顯堿性c（OH-）＞c（H+），再根據溶液中電荷守恒可以判斷 c（Na+）＞c（CH3COO-）；D 項比較簡單。

【說明】考查溶液中離子濃度大小比較 ，要抓住三個守恒。好多學生為此而苦惱，主要是不少同學沒有抓住解題的關鍵，切不要花太多的時間于各種題型的記憶上，而應該抓住解此類問題的核心（溶液中的三大守恒）。

［1］ 中華人民共和國教育部制訂.普通高中化學課程標準（實驗稿）［M］.北京：人民教育出版社，2003.4

［2］ 王祖浩.化學反應原理［M］.南京：江蘇教育出版社，2006.6

［3］ 江蘇省考試院.江蘇省普通高中學業水平測試（選修科目）2011說明 ［M］.南京：江蘇教育出版社，2010.12