化學核心素養下化學平衡狀態的判斷研究

楊晉芳 楊蓓

摘 要：化學平衡狀態的判斷是是化學平衡知識體系的重要組成部分之一，也是高考命題點之一。筆者在一線教學實踐中，發現很多學生對于理解“氣體密度”和“混合氣體平均相對分子質量”在什么情況下可以作為判斷化學平衡的依據有一定障礙。因此，筆者針對這兩個方面總結歸納了解題思路及方法，并建立了分析此類平衡問題的解題模型，旨在發展學生的化學思維能力，提高化學學科核心素養。

關鍵詞：化學平衡狀態 氣體密度 平均相對分子質量 解題模型

一、問題的提出

化學平衡內容歷來是高中化學的核心內容之一，具有抽象性、符號性和復雜性的特點，是公認的化學學習難點之一。化學平衡相關內容也是中學化學中所涉及的溶解平衡、電離平衡和水解平衡等知識的核心，對學生深入學習、應用平衡思想發揮了關鍵性作用。化學平衡狀態的判斷是是化學平衡知識體系的重要組成部分之一，同時是高考命題點之一。學生對此內容的學習往往存在心理障礙，已有研究確認了高中生在化學平衡內容學習上存在顯著困難[1]。筆者在一線教學實踐中，發現在化學平衡這部分內容的學習時，常常會出“化學平衡狀態的判斷”這類題目，解此題型時，大部分學生對于“氣體密度”和“混合氣體平均相對分子質量”這兩個衍生出的判斷方法感到無從下手，導致失分率較高。因此，筆者針對這兩個方面總結歸納了解題思路及方法，并建立了分析此類平衡問題的解題模型，旨在發展學生的化學思維能力，提高化學學科核心素養。

二、學生學習障礙分析

1.基于內容特點分析學習障礙

《普通高中化學課程標準（2017版）》[2]針對化學平衡狀態的有關內容提出了具體內容標準和學業要求，在必修課程中主要分布在主題2“物質結構基礎及化學反應規律”中;在選擇性必修課程中主要分布在模塊3“化學反應原理”中，具體內容如表1所示。從表1可以看出，化學平衡狀態內容與之前所學知識相比橫向、縱向聯系和綜合程度顯著提高，深度、廣度的發展呈螺旋上升狀態。化學平衡是近年高考的熱點，化學平衡狀態的判斷是高考化學的命題點之一，而化學平衡移動對氣體密度和混合氣體相對分子質量影響的分析更是一大難點，對學生圖表數據解讀能力、邏輯推理能力、綜合解決問題的能力要求較高。因此，筆者針對化學平衡狀態的判斷內容中“氣體密度”和“混合氣體平均相對分子質量”這兩個衍生出的判斷方法，提出解題思路及方法，并建立分析此類平衡問題的解題模型，以加深學生對化學平衡知識的理解，提高學生解決化學實際問題的能力。

2.基于學生認識發展分析學習障礙

學生在化學平衡問題解決中形成的學習障礙不同，形成原因也不同。劉瑞東[3]通過調查發現學生在學習化學平衡之后，仍然對化學平衡中的中心概念問題，如動態平衡的判斷;濃度、溫度、壓強（體積）等對化學平衡的影響;濃度、溫度、壓強（體積）等對化學平衡反應速率的影響等存在大量的迷思概念。支瑤，王磊[4]等人通過長期的課堂觀察、課后跟蹤觀察和訪談發現，學生在平衡移動規律學習中認識發展障礙點在于缺少對相關問題進行理性分析的“支架”。筆者在教學中發現，在學習化學平衡狀態的判斷之后，大部分學生仍然不清楚氣“氣體密度”和“混合氣體平均相對分子質量”在什么情況下可以成為判斷化學平衡的標志。筆者根據常年教學經驗，總結了具體解題思路及方法，并建立了分析此類平衡問題的解題模型，旨在發展學生的化學思維能力，提高化學學科核心素養。

三、建立化學平衡狀態判斷的解題模型

一般在化學平衡中常見的反應只有兩種類型：一種全為氣體型，一種不全為氣體型。每種類型根據化學計量數關系又可劃分為兩類，即反應前后氣體系數和為零，簡稱△V=0型;反應前后氣體系數和不為零，簡稱△V≠0型。本文以下面四個反應為例尋找解題思路：

例：

N2（g）+3H2（g） 2NH3（g）

2HI（g） ?H2（g）+I2（g）

C（s）+H2O（g） CO（g）+H2（g）

A（s）+3B（g）2C（g）+D（g）

分別分析恒溫恒壓和恒溫恒容狀態時其“氣體密度”和“混合氣體平均相對分子質量”保持不變能否作為判斷化學平衡狀態的標志。根據密度等于總質量除以總體積（ρ=m/V），平均相對分子質量等于總質量除以總物質的量（M=m/n），因此只需判斷m總、n總和V總是否變化即可。

1. 全為氣體型

（1）恒溫恒容狀態

恒溫恒容狀態時，對于全為氣體的反應，根據質量守恒定律，氣體的總質量始終不變，又因為條件維持恒容，總體積也始終不變，所以，無論△V=0型還是△V≠0型，密度均不可作為判斷標志。而氣體總物質的量與反應前后氣體系數有關，△V=0時，總物質的量不變，平均相對分子質量不能作為判斷依據;△V≠0時，總物質的量發生變化，平均相對分子質量能作為判斷依據。所以，從全為氣體型總結出，只有△V≠0時，平均相對分子質量可以判斷平衡。其余三種情況均不可以。

（2）恒溫恒壓狀態

恒溫恒壓狀態時，由于全為氣體，氣體的總質量始終不變。對于△V=0的反應，氣體總物質的量也始終不變，根據PV=nRT，可知氣體總體積也始終不變。因此，對于全為氣體型，當△V=0時，平均相對分子質量和密度均不可作為判斷依據。而△V≠0時，隨反應進行，氣體總物質的量會發生變化，恒壓下，氣體的體積也會發生變化，所以當△V≠0時，密度和平均相對分子質量均可以作為判斷化學平衡的標志。

綜上兩點歸納整理，對△V=0的全為氣體型，密度和平均相對分子質量不論什么條件均不能作為判斷平衡狀態的依據;而對于△V≠0的全為氣體型，只有恒溫恒容時，密度不可以判斷，其余三種情況均可作為平衡判斷依據，建立化學平衡狀態判斷的解題模型，如表2所示。

2.不全為氣體型

對于此類反應，反應一旦開始，總質量就會發生變化，所以判斷化學平衡狀態主要抓住總體積和總物質的量。對于△V=0的反應，無論恒溫恒容還是恒溫恒壓，總體積和總物質的量始終不變，所以密度和平均相對分子質量均可以作為平衡判斷依據。對于△V≠0的反應，恒溫恒容時，由于容器體積不變，所以密度也可以作為平衡判斷依據。總物質的量隨反應前后氣體系數和發生改變，在平均相對分子質量中，總質量和總物質的量都發生變化，最終要看比值變不變，比值變則可以作為依據，比值不變則不能作為判斷依據，這是學生最難理解的一點。恒溫恒壓時，由于此類反應總質量、總物質的量、總體積均發生變化，密度和平均相對分子質量的判斷也要具體情況具體分析。解題模型如表2所示。

綜上所述，筆者嘗試歸納總結出化學口訣“兩變看比例，一變一定平，不變不適用”，簡化了學生的學習難度，更有利于學生理解和掌握。可具體解釋為：比例中如果只有一個變量，則一定可以判斷平衡;若兩個均不為變量，則一定不能判斷平衡;若兩個變量均發生變化，比值變則可以作為判斷平衡依據。具體總結如表3所示。

四、“化學平衡狀態的判斷”解題模型的應用

基于化學平衡狀態判斷的解題模型，分別以全為氣體、△V=0型;全為氣體、△V≠0型及不全為氣體型試題為例介紹其應用過程，多角度、全方位突破化學平衡狀態標志的判定。

1. ?全為氣體、△V=0型

[例 1] 汽車尾氣中，產生NO的反應為：N2（g）+O2（g）2NO（g），一定條件下，等物質的量的N2（g）和O2（g）在恒容密閉容器中反應，下圖曲線a表示該反應在溫度T下N2的濃度隨時間的變化，曲線b表示該反應在某一起始條件改變時N2的濃度隨時間的變化。下列敘述正確的是（ ?）

A.溫度T下，該反應的平衡常數K=

B.溫度T下，隨著反應的進行，混合氣體的密度減小

C.曲線b對應的條件改變可能是加入了催化劑

D.若曲線b對應的條件改變是溫度，可判斷該反應的△H<0

[解析]根據題意，反應在恒溫恒容的密閉容器中發生反應狀態，所以氣體總體積保持不變，且質量守恒，所以混合氣體的密度保持不變。因此B選項錯誤。

若將此題的條件“恒溫恒容”改為“恒溫恒壓”，由于反應前后氣體的總物質的量保持不變，由PV=nRT，可知混合氣體的總體積也是保持不變，且質量守恒，所以混合氣體的密度始終保持不變。所以對于全為氣體、△V=0型的可逆反應，任何條件下密度和平均相對分子質量都不可以判斷平衡。

2. 全為氣體、△V≠0型

[例 2] 一定溫度下，向一容積為5 L的恒容密閉容器中充入0.4 mol SO2和0.2 mol O2，發生反應：2SO2（g）+O2（g） 2SO3（g） ΔH=-196 kJ·mol-1。當反應達到平衡時，容器內壓強變為起始時的。判斷該反應達到平衡狀態的標志________（填字母序號）。

A.SO2、O2、SO3三者的濃度之比為2∶1∶2

B.容器內氣體的壓強保持不變

C.容器內混合氣體的密度保持不變

D.SO3的物質的量不再變化

[解析]由題可知，反應在為恒溫恒容狀態下進行，△V≠0。根據化學平衡狀態判斷的解題模型，B選項中混合氣體的總質量不變，容器的容積不變，則混合氣體的密度始終不變，不是變量，不能根據混合氣體的密度不再改變證明到達平衡，故B選項錯誤;C項中隨反應進行，容器內混合氣體的總的物質的量減小，而氣體的總質量不變，則混合氣體的平均相對分子質量增大，是變量，可以根據平均相對分子質量不再改變說明到達平衡，故C選項正確。

若將此題的“恒溫恒容”改為“恒溫恒壓”，隨反應進行，混合氣體的總物質的量發生變化，導致氣體總體積發生變化，而總質量不變，所以相對分子質量和密度不再改變可以判斷達到平衡狀態。

3. 不全為氣體型

[例 3] 將C （s） 和H2O（g）以物質的量之比1：2置于恒容容器中，一定條件下發生反應：C（s） +H2O（g） H2（g） + CO（g）△H>0。下列能說明反應達到平衡狀態的是（ ? ）

A、v（H2O）= v（CO）

B、H2 、CO的體積比保持不變

C、形成2mol H-O鍵，同時生成1mol C

D、混合氣體密度和平均相對分子質量都保持不變

[解析]由題可知，該反應中不全是氣體，隨著反應進行，混合氣體的總質量增大，反應前后混合氣體的總物質的量、容器體積保持不變，則混合氣體的密度和平均相對分子質量都是增大的，是變量。可根據混合氣體的密度和平均相對分子質量保持不變證明達到平衡狀態。

[例 4] 在一定溫度下的恒容密閉容器中，不能說明NH2COONH4（s）2NH3（g）+CO2（g）達到平衡狀態的是 （ ? ）

A. 混合氣體的平均相對分子質量不再發生變化

B. 混合氣體的密度不再發生變化

C. 混合氣體的總物質的量不再發生變化

D. 混合氣體的壓強不再發生變化

[解析]A項由題意知，混合氣體中氨氣和二氧化碳的體積比始終是2：1，質量也是成比例增加的，因此混合氣體的平均相對分子質量始終不變，所以不能據此說明反應達到平衡狀態;B. 密度是混合氣的質量和容器容積的比值，在反應過程中容積始終是不變的，但混合氣體的質量是變化的，所以混合氣體的密度不再發生變化說明反應達到平衡狀態，B錯誤。

該題較特殊，若將此題的“恒溫恒容”改為“恒溫恒壓”，混合氣體的體積和質量都成比例增加，混合氣體的密度始終不變，不是變量，不能據此說明反應達到平衡狀態。

五、建立“ 化學平衡狀態的判斷”解題模型的意義

通過上述例題分析發現，化學平衡狀態判斷的解題方法有一定的內在規律，其解題模型如表2所示。首先根據化學反應方程判斷反應是全為氣體型或不全為氣體型，并根據題意分析反應是在恒溫恒容還是在恒溫恒壓狀態下進行;其次根據化學反應方程式判斷反應前后氣體分子數是否等于0，即△V=0或△V≠0;最后，根據“ 化學平衡狀態的判斷”的解題思路及模型，具體題型具體分析，對實際問題進行解答。該解題模型基于化學科學觀念──質量守恒定律和化學方程式判斷，對復雜的化學平衡問題抽象概括出一般解題模型，有廣泛的適應性和嚴密的邏輯性，有利于學生快速抓住問題的核心形成有效的思路，有利于學生建構清晰的思維結構從而高效地解答[5]。本文旨在幫助學生建立一個基于化學平衡狀態分析及改變的解題方法及模型，特別是“氣體密度”和混合氣體平均相對分子質量”在什么情況下可以作為判斷平衡的依據進行分析，使學生體驗一種證據推理的思考過程，逐漸形成模型認知，培養學生的化學學科核心素養。

參考文獻

[1]任麗曼.高中生化學平衡學習困難的因素分析[J].上海：上海師范大學，2010.

[2]中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017版）[M].北京：人民教育出版社，2017.

[3]劉瑞東.高中生化學平衡迷思概念的調查研究[J]化學教育，2006（8）：44-47.

[4]支瑤，王磊，張緒姝.化學平衡常數對促進學生認識發展的功能價值分析及其教學實現[J].化學教育，2010，31（6）：29-34.

[5]韓江濤.用待定法解析熱重曲線案例介紹[J].化學教學，2017（6）：86-90.