“化學(xué)平衡移動(dòng)方向與轉(zhuǎn)化率的關(guān)系”課例研究

張道年

摘要：從化學(xué)學(xué)科觀念、化學(xué)學(xué)科思維和化學(xué)學(xué)科價(jià)值追求角度分析探討“平衡移動(dòng)方向與轉(zhuǎn)化率之間的關(guān)系”教學(xué)，以促進(jìn)學(xué)生平衡觀的發(fā)展，落實(shí)學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)目標(biāo)，切實(shí)提升了學(xué)生的化學(xué)學(xué)習(xí)能力。

關(guān)鍵詞：化學(xué)學(xué)科觀念；化學(xué)學(xué)科思維；平衡觀；化學(xué)教學(xué)；課例研究

文章編號(hào)：1005-6629（2018）1-0048-05 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

2014年教育部《關(guān)于全面深化課程改革落實(shí)立德樹人根本任務(wù)的意見》提出在基礎(chǔ)教育階段應(yīng)幫助學(xué)生形成適應(yīng)個(gè)人終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力。高中化學(xué)核心素養(yǎng)是學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)的重要組成部分，是高中生通過化學(xué)課程學(xué)習(xí)所獲得的在知識(shí)與技能、過程與方法、情感態(tài)度與價(jià)值觀等方面的綜合品質(zhì)與關(guān)鍵能力。高中化學(xué)核心素養(yǎng)包含化學(xué)學(xué)科觀念、化學(xué)學(xué)科思維、科學(xué)探究實(shí)踐和化學(xué)學(xué)科價(jià)值追求等方面，其中化學(xué)學(xué)科觀念是化學(xué)學(xué)科知識(shí)和原理的高度抽象和概括，處于化學(xué)知識(shí)的核心位置。因此在教學(xué)實(shí)踐中教師應(yīng)深化對(duì)學(xué)生學(xué)科核心觀念的培養(yǎng)。平衡觀就是化學(xué)學(xué)科核心觀念之一。從知識(shí)價(jià)值來看，平衡觀是解決問題的理論依據(jù)；從方法價(jià)值來看，平衡觀是一種體驗(yàn)?zāi)Ｐ驼J(rèn)知、科學(xué)探究和強(qiáng)化信息意識(shí)的有效平臺(tái)；從情意價(jià)值來看，平衡觀又是培育創(chuàng)新意識(shí)、科學(xué)精神和社會(huì)責(zé)任的優(yōu)質(zhì)載體，因此與“平衡觀”有關(guān)的知識(shí)點(diǎn)是培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)的優(yōu)質(zhì)素材。本文選取“化學(xué)平衡移動(dòng)方向與轉(zhuǎn)化率之間的關(guān)系”教學(xué)主題進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)（見圖1），以促進(jìn)學(xué)生平衡觀的發(fā)展，落實(shí)學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)目標(biāo)。

1初步建立平衡觀念

“知識(shí)與技能”是形成和發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的基礎(chǔ)、前提和載體，機(jī)械灌輸、被動(dòng)接受的學(xué)科知識(shí)和技能是不可能形成核心素養(yǎng)的，而主動(dòng)建構(gòu)知識(shí)的過程才是核心素養(yǎng)發(fā)展的前提。化學(xué)平衡移動(dòng)所導(dǎo)致的反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率的變化與反應(yīng)方程式前后的系數(shù)大小有很大的關(guān)系，學(xué)生在這個(gè)方面也經(jīng)常會(huì)犯錯(cuò)誤。例如，恒溫恒容容器中，對(duì)于2NO₂（g）←→N₂O4（g）和2HI（g）←→H₂（g）+I₂（g）兩個(gè)典型反應(yīng)，當(dāng)提出“增加反應(yīng)物的濃度”，得出“化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的方向”都向右進(jìn)行，而得出“反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率”分別“增大”和“不變”這兩個(gè)結(jié)論并不難。但學(xué)生并未認(rèn)識(shí)到反應(yīng)前后系數(shù)間大小關(guān)系與轉(zhuǎn)化率變化問的關(guān)系，所以對(duì)于反應(yīng)N₂O₄（g）←→2NO₂（g），當(dāng)提及“增加反應(yīng)物的濃度”時(shí)，多數(shù)學(xué)生仍會(huì)認(rèn)為反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率會(huì)增大。因此，筆者針對(duì)這一問題進(jìn)行了如下的教學(xué)設(shè)計(jì)：

1.1勒夏特列原理

如果改變影響平衡的條件之一（如溫度、壓強(qiáng)，以及參加反應(yīng)的化學(xué)物質(zhì)的濃度），平衡向著能夠減弱這種改變的方向移動(dòng)。

[問題1]請(qǐng)勾出經(jīng)驗(yàn)規(guī)則勒夏特列原理的關(guān)鍵詞。

因?yàn)槔障奶亓性硎墙?jīng)驗(yàn)規(guī)則，所以在利用其原理解決問題時(shí)一定要抓住關(guān)鍵詞。強(qiáng)調(diào)勒夏特列原理中“減弱”和“改變”這兩個(gè)關(guān)鍵詞有利于學(xué)生把握要點(diǎn)。

1.2運(yùn)用勒夏特列原理分析化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行方向

[問題2]表1呈現(xiàn)了三個(gè)典型反應(yīng)。在一定溫度條件下，分別向三個(gè)恒容容器中增加反應(yīng)物。三個(gè)容器中的反應(yīng)分別是2HI（g）←→H₂（g）+I₂（g），2NO₂（g）←→N₂O₄（g）和N₂O₄（g）←→2NO₂（g），請(qǐng)用勒夏特列原理分析化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的方向。

[分析]見表2。

利用表1，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到2HI（g）←→H₂（g）+I₂（g）、2NO₂（g）←→N₂O₄（g）和N₂O₄（g）←→2NO₂（g）三個(gè)反應(yīng)在反應(yīng)前后體積變化是不同的，分別是不變、減小和增大。再結(jié)合表2對(duì)問題2進(jìn)行思考分析，根據(jù)勒夏特列原理可知只要增大反應(yīng)物的濃度，無論反應(yīng)前后系數(shù)是不變、增大，還是減小，化學(xué)反應(yīng)肯定是向正反應(yīng)方向移動(dòng)的，這是本節(jié)課第一次運(yùn)用勒夏特列原理分析化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的方向。

1.3反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率

定義：反應(yīng)掉的反應(yīng)物濃度占總反應(yīng)物濃度的百分比。（注：“某個(gè)指定反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率”定義見人教版選修4第29頁下方小字部分）

公式：某個(gè)指定反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率=（c（反應(yīng)掉的反應(yīng)物）/c（該反應(yīng)物））×100%

[問題3]向恒容容器中增加反應(yīng)物，化學(xué)反應(yīng)向正反應(yīng)方向移動(dòng)，那么反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率是不是增大了？

[回答]不一定。因?yàn)橛^察公式可發(fā)現(xiàn)反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率情況不但與“分子”的數(shù)值有關(guān)，還與“分母”的數(shù)值有關(guān)。雖然“分子”增大了，但是“分母也同樣增大了。

通過問題引導(dǎo)和圖表信息分析，幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)到物質(zhì)是在不停運(yùn)動(dòng)和變化著的，平衡和運(yùn)動(dòng)是密不可分的，客觀世界在不斷地沿著由不平衡到平衡、再由平衡到不平衡的軌跡運(yùn)動(dòng)著。所以當(dāng)增加反應(yīng)物時(shí)，可逆反應(yīng)必定發(fā)生變化，反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率也將會(huì)發(fā)生變化。三個(gè)典型反應(yīng)，增加反應(yīng)物雖然反應(yīng)方向都是向右進(jìn)行的，但反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率如何變化還是需要慎重考慮的，從而為深入了解化學(xué)平衡移動(dòng)所導(dǎo)致的反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率的變化與反應(yīng)方程式前后的系數(shù)大小關(guān)系奠定了基礎(chǔ)。

2建立“虛擬容器法”模型

[問題4]一定溫度下，恒容容器中有反應(yīng)2NO₂（g）←→N₂O₄（g），增大NO₂的濃度，反應(yīng)物NO₂的轉(zhuǎn)化率如何變化？endprint

[教師]分析“虛擬容器法”。

[分析]如圖2所示，向反應(yīng)2NO₂（g）←→N₂O₄（g）的體系中增加反應(yīng)物，第一步運(yùn)用虛擬容器法，反應(yīng)向正反應(yīng)方向移動(dòng)，反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率是不變的。第二步，將上方虛擬的容器中的氣體“壓人”下面容器中，由于反應(yīng)容器中的所有物質(zhì)總的物質(zhì)的量增加了，而反應(yīng)物的系數(shù)大于生成物的系數(shù)，所以平衡應(yīng)該是向正反應(yīng)方向移動(dòng)，最終NO₂的轉(zhuǎn)化率是升高的。容器Ⅱ相對(duì)于容器I而言，反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率變化情況可用表3來表示。表3增大反應(yīng)物濃度和反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率的變化情況

[結(jié)論]一定溫度，恒容容器有反應(yīng)2NO₂（g）←→N₂O₄（g），再加入反應(yīng)物NO₂，NO₂的轉(zhuǎn)化率將增大。反應(yīng)物體積變化情況與轉(zhuǎn)化率之間的關(guān)系小結(jié)見表4。

[問題5]若把反應(yīng)2NO₂（g）←→N₂O₄（g）換成N₂O₄（g）←→2NO₂（g），情況又將如何呢？

[分析]仍按照虛擬容器法來分析，見圖3。

[問題6]又如2HI（g）←→₂（g）+I₂（g），情況又會(huì)發(fā)生怎樣的變化？

[分析]再次按照虛擬容器法分析，見圖4。

[小結(jié)]反應(yīng)物體積變化情況與轉(zhuǎn)化率之間的關(guān)系小結(jié)見表5。

（1）以反應(yīng)2N02（g）←→N：0。（g）為例，第一次運(yùn)用勒夏特列原理說明增加N02后化學(xué)反應(yīng)向右移動(dòng)了。由于2>1，第二次運(yùn)用勒夏特列原理，這個(gè)反應(yīng)還有“一股向右的力量”，使得N02的轉(zhuǎn)化率增大了；

（2）以反應(yīng)N₂O₄（g）←→2NO₂（g）為例，第一次運(yùn)用勒夏特列原理說明增加N₂O₄后化學(xué)反應(yīng)向右移動(dòng)了。由于1<2，所以第二次運(yùn)用勒夏特列原理，這個(gè)反應(yīng)還有“一股向左的力量”在掣肘著向右的移動(dòng)，所以N₂O₄的轉(zhuǎn)化率減小了，這也是學(xué)生最難以理解的；

（3）以反應(yīng)2HI（g）←→H₂（g）+I₂（g）為例，第一次運(yùn)用勒夏特列原理說明增加HI后化學(xué)反應(yīng)向右移動(dòng)了。但由于2=2，所以第二次運(yùn)用勒夏特列原理，化學(xué)反應(yīng)不移動(dòng)，所以Hl的轉(zhuǎn)化率不變。

這一環(huán)節(jié)采用了三個(gè)反應(yīng)體系，分別是2NO₂（g）←→N₂O₄（g），反應(yīng)物的系數(shù)大于生成物；N₂O₄←→2NO₂，反應(yīng)物的系數(shù)小于生成物的系數(shù)；2HI（g）←→H₂（g）+I₂（g），反應(yīng)物系數(shù)等于生成物，逐一呈現(xiàn)反應(yīng)，并提出增加反應(yīng)物，平衡移動(dòng)的問題，引導(dǎo)學(xué)生依據(jù)勒夏特列原理，利用虛擬容器法不斷思考和比較分析，形成對(duì)化學(xué)平衡移動(dòng)所導(dǎo)致的反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率的變化與反應(yīng)方程式前后的系數(shù)大小關(guān)系的全面認(rèn)識(shí)。

人類運(yùn)用化學(xué)方法探索物質(zhì)世界時(shí)，常常對(duì)大量實(shí)驗(yàn)事實(shí)進(jìn)行比較分析、歸納概括后，還需要通過抽象和簡化的方法建立模型，再現(xiàn)物質(zhì)及其變化的基本規(guī)律，這就是“模型認(rèn)知”思維。對(duì)于“平衡移動(dòng)的方向”與“轉(zhuǎn)化率”之間的關(guān)系，教師引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)化學(xué)模型——“虛擬容器法”，并利用該模型分析不同類別的具體化學(xué)反應(yīng)，歸納總結(jié)出在不同類型的可逆反應(yīng)中，增加反應(yīng)物的量，反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率變化的規(guī)律和本質(zhì)。

3“診斷→反思→總結(jié)”的歷程

基于上述環(huán)節(jié)中三個(gè)典型反應(yīng)的模型分析，學(xué)生對(duì)化學(xué)平衡移動(dòng)的方向與轉(zhuǎn)化率變化之間的關(guān)系形成了深刻認(rèn)識(shí)。這時(shí)需要進(jìn)一步創(chuàng)設(shè)條件讓學(xué)生運(yùn)用知識(shí)進(jìn)行問題解決，以促進(jìn)知識(shí)的內(nèi)化和問題解決能力的發(fā)展。

人教版《化學(xué)反應(yīng)原理（選修4）》不僅有“化學(xué)平衡”，還有與化學(xué)平衡息息相關(guān)的“電解質(zhì)溶液”，其中的弱電解質(zhì)的電離、鹽類的水解等內(nèi)容，均涉及濃度的變化對(duì)弱電解質(zhì)的電離程度，或鹽類水解程度的影響。但在之前必須要建立“微粒觀”，要介紹給學(xué)生無論是CH₃COOH（aq）←→CH₃C00^-（aq）+H⁺（aq），還是Fe³⁺（aq）+3H₂O←→Fe（OH）₃（膠體）+3H⁺（aq），都屬于微粒數(shù)“1→多”的形式，與上述介紹的N₂O₄（g）F←→2NO₂（g）類似，因此可以以弱電解質(zhì)的電離程度，或是鹽類的水解程度為研究問題，并運(yùn)用“類推法”予以解決。

3.1弱電解質(zhì)的電離

[問題6]恒溫恒容，N₂O₄（g）←→2NO₂（g）類推CH₃COOH（aq）←→CH₃COO^-（aq）+H⁺（aq），若改變醋酸的濃度，那么CH₃COOH的電離程度如何變化？（見表6）

3.2鹽類的水解

[問題7]恒溫恒容，N₂O₄（g）←→2NO₂（g）類推Fe³⁺（aq）+3H₂O（1）←→Fe（OH）₃（膠體）+3H⁺（aq）。若改變Fe³⁺的濃度，那么Fe³⁺的水解程度如何變化？（見表7）

在學(xué)習(xí)“弱電解質(zhì)的電離程度”和“鹽類的水解程度”時(shí)，運(yùn)用“模型認(rèn)知”，學(xué)生驚訝地發(fā)現(xiàn)，原來“化學(xué)平衡的移動(dòng)與轉(zhuǎn)化率之間的關(guān)系”在這兩部分中仍然是可以應(yīng)用的！學(xué)習(xí)化學(xué)的熱情被極大地激發(fā)了，而且還能更深刻地理解了化學(xué)科學(xué)的人文內(nèi)涵。

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》以培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)為終極目標(biāo)，并明確指出“高中化學(xué)課程以進(jìn)一步提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)為宗旨，是科學(xué)教育的重要組成部分，它對(duì)提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展有著不可替代的作用”。化學(xué)學(xué)科觀念包括“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”思想、“守恒”思想、“平衡”思想和“能量”思想等，它們是化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要組成部分，是學(xué)科中深層次的寓意。在可逆反應(yīng)中“改變外界條件，轉(zhuǎn)化率如何變化？”這個(gè)基本認(rèn)識(shí)形成后，通過“診斷→反思→總結(jié)”的思考路徑，運(yùn)用“類推法”順理成章地解決電解質(zhì)溶液中的“轉(zhuǎn)化率”問題，實(shí)現(xiàn)了知識(shí)的聯(lián)系，讓學(xué)生充分感悟到化學(xué)學(xué)科的魅力。與“平衡觀”相關(guān)的知識(shí)還遠(yuǎn)不止這些，例如可逆反應(yīng)中K和Q的大小比較可以作為判斷反應(yīng)進(jìn)行方向的判據(jù)，而在“弱電解質(zhì)的電離”、“沉淀溶解平衡”和“鹽類的水解”等章節(jié)判斷反應(yīng)的方向也可以廣泛應(yīng)用，這又是“平衡觀”在化學(xué)學(xué)科中的體現(xiàn)，有待于今后繼續(xù)研究。endprint