構建化學反應的速率與化學平衡邏輯關系的微專題教學

高巖

《普通高中化學課程標準（2017年版）》倡導培養學生的學科核心素養，筆者發現，“變化觀念與平衡思想”核心素養是學生素養培養中的一大難點。比如學生在學習人教版化學選修4中的《化學反應速率和化學平衡》這一章內容時，極易混淆前后所學知識，且思維邏輯混亂，無法構建完整的知識體系，也因此很難真正建構變化觀念和平衡思想。筆者嘗試引入“瞬時速率”概念，以微專題教學方式，在化學反應速率與化學平衡知識之間搭建起一座知識和思維的“彩虹橋”，便于學生透徹理解知識之間內在的邏輯關系，取得了較好的實踐效果。

一、厘清學生的學習困惑點

面對學生的知識混淆、思維混亂，筆者仔細研讀學情，發現學生在本章學習中的主要困惑點表現為以下三點。

首先，在學習“影響化學反應速率的因素”這一內容時，“濃度變化和壓強變化對速率的影響”是學生理解上的難點：學生分不清不同的情況下，到底應該用濃度變化來分析速率，還是用壓強變化來分析速率。這個問題得不到透徹理解和正確分析，將會影響學生對平衡移動的理解和分析。

其次，在開始學習“影響平衡移動的因素”這一內容時，學生很容易在“不同的外界條件對正、逆反應速率的影響”問題上產生思維混亂，經常出現類似升高溫度則吸熱方向速率加快、放熱方向速率減慢這樣的錯誤認知。究其根源，就是分不清速率變化和平衡移動的內在關聯。

最后，學生對平衡常數這個概念的認知僅停留在“記住”層面，無法深入理解平衡常數的形成原因，這也在一定程度上影響了其構建速率與平衡這一章的完整知識體系。

二、尋求教學突破的關鍵

聯想之前學生在學習必修2第二章第3節《化學反應的速率與限度》這一內容時，課本用反應速率和時間的圖像直觀說明了化學平衡狀態的建立過程，這圖像中變化的速率其實就是瞬時速率，但是教材沒有點明，且絕大多數教師在教學過程中也不會給學生說明和解釋，導致許多學生往往以平均速率的錯誤認知來理解該圖像，這就為后續相關知識和理論的學習埋下了隱憂。到了選修4學習《化學反應速率和化學平衡》一課時，課本直接用平均速率為學生建立起反應快慢的概念和計算公式，仍然沒有引入瞬時速率的概念和公式，于是更加深了學生的思維混亂。其實，在很多有關速率與平衡的圖像題中，常常要求對兩個點即兩個時刻的速率進行大小比較，這顯然已經隱含了瞬時速率的概念。同樣，在近年的高考題中也出現過不少以瞬時速率公式為信息，并要求對信息加以分析利用的題目，如2018年高考理科綜合全國Ⅰ卷第28（2）②題、全國Ⅱ卷第27（2）②題、全國Ⅲ卷第28（3）③題，2015年高考全國Ⅰ卷第28（4）②③題等。由此看來，在教學中引入瞬時速率的概念和公式，就顯得很有必要了。

從速率與平衡的內在關聯來看，瞬時速率起著重要的橋梁作用。由于平均速率著眼于描述某一時間段的變化，更多的是一種宏觀表征;而平衡的建立與移動，則是微觀變化的結果，其本質需要從某一時刻的速率變化即瞬時速率來理解和分析。因而引入瞬時速率，可以幫助學生掃除思維屏障、解除知識困惑，有助于學生更深刻地理解速率與平衡等相關概念和理論，進而建立起變化與平衡的邏輯關系。

此外，運用瞬時速率分析和解決問題，其實就是在不斷地運用瞬時速率公式進行證據與數據推理，將學生從簡單的定性分析引向深入的定量分析，使學生得以發現變化的本質，切實提高證據推理、數據處理等綜合思維能力，進而培養證據推理與模型認知核心素養。

三、引入瞬時速率，突破教學難點，構建知識間的邏輯關系

筆者以化學反應[a]A（g）+[b]B（g）? [c]C（g）為例，引入瞬時速率概念和公式，幫助學生突破學習難點，教學實施過程如下。

（一）讓學生充分理解瞬時速率的概念和公式中的相關物理量

首先，通過概念對比分析，幫助學生從定性角度建立認知模型。讓學生明白：平均速率用來表征反應在某一時間段的變化快慢，瞬時速率則用來表征反應在某一時刻的變化快慢。

其次，通過公式對比分析，幫助學生從定量角度建立認知模型。讓學生明白：在平均速率公式[v=Δc/Δt]中，無論是濃度變化還是對應的時間變化，都不能幫助人們理解當改變不同的條件時速率將會如何變化。而在瞬時速率公式[v正=k正·cm（A）·cn（B）]，[v逆=k逆·cp（C）]中：[k正]、[k逆]分別表示正向反應和逆向反應的速率常數，它只與反應本身（內因）、溫度和反應的活化能（催化劑）有關。當升高溫度，[k正]、[k逆]均增大，只是吸熱方向的速率常數增大更多;當降低溫度時，二者均減小，只是吸熱方向的速率常數減小更多。使用（正）催化劑時，[k正]、[k逆]則同等程度增大。[c]（A）、[c]（B）、[c]（C）為物質在某一時刻的物質的量濃度。[m+n]稱為反應級數。[m+n]=0時為零級反應，[m+n]=1時為一級反應……以此類推。一般情況下，[m]、[n]、[p]為對應物質的計量數，即[m]=[a]，[n]=[b]，[p]=[c]。于是可知，要改變速率，必須通過改變[k]（即改變溫度或使用催化劑）或改變物質的濃度（即改變投料或容器容積）才能實現。

（二）利用瞬時速率公式，按知識遞進，從反應速率到平衡移動再到平衡常數，由淺入深地逐個解決學生的疑難點

1.用瞬時速率公式，幫助學生理解溫度、催化劑、濃度、壓強等對反應速率的影響

通過上面的分析可知，改變溫度或者使用催化劑，直接影響的只能是[k正]、[k逆]，由于二者均與兩個速率常數正相關，從而可知溫度變化和催化劑與正、逆速率變化都呈正相關。而其中使用催化劑，由于[k正]、[k逆]逆同等程度增大，則兩個方向的速率同等程度增大。

至于讓學生感到困擾的濃度變化和壓強變化對速率的影響，也可以輕松解決。從公式可知，無論壓強變化還是濃度變化，都無法改變[k正]、[k逆]，而只能改變氣體的濃度，因此，抓住濃度變化，就能得出結論。我們可以分別對以下6種常見情況展開探討：①恒容時投A或B或C，此時只有投料的物質濃度增大，所以投料方向速率加快，未投料方向瞬時速率不變;②恒容時投A和B和C，各組分濃度均增大，此時兩個方向速率均加快;③恒容時投惰性氣體，各組分濃度不變，因而兩個方向速率均不變;④恒壓等比充入A、B、C，由于三者濃度均不變，所以正、逆速率均不變;⑤恒壓時充入惰性氣體，容器擴大，三者濃度均減小，所以正、逆速率均減慢;⑥壓縮容器或擴大容器（即通常的加壓或減壓），由于各氣體濃度均增大或減小，則正、逆速率均增大或減小。歸根結底，采用不同的投料方式或改變壓強，從根本上講都是改變濃度，因此抓住氣體濃度變化這個實質來展開分析，就可以厘清思路，弄明白各種條件變化對反應速率的影響。這樣的講解，可以為學生進一步理解平衡移動打下思維基礎。

2.用瞬時速率公式，幫助學生理解影響平衡移動的因素及平衡移動原理

學生已經知道，只要[v]正≠[v]逆，平衡就會向著速率快的方向移動。此時利用瞬時速率公式，可以幫助學生更深入地理解改變外界條件對平衡移動的影響。比如，理解溫度對平衡移動的影響：前面已經分析過，升高溫度，由于正、逆速率常數均增大，所以，正逆速率均增大;又因為吸熱方向的速率常數增大更多，從而導致吸熱方向速率加快更多，結果就是[v]吸熱>[v]放熱，所以，平衡向吸熱方向移動。這樣用公式進行證據推理，就能從根本上改變一些學生總認為升溫時，只有吸熱方向速率加快、而放熱方向速率變慢的錯誤認知。針對學生最難理解的“壓強對平衡移動方向的影響”，同樣可以用瞬時速率公式進行證據推理。

仍以反應[a]A（g）+[b]B（g）? [c]C（g）為例。按一般情況分析，建立平衡狀態時，[v]正0=[v]逆0，即[k]正·[ca]（A）0·[cb]（B）0=[v]逆·[cc]（C）0。若將壓強加大一倍，即由[p]0→2[p]0，則容器容積由[V]0→1/2[V]0，各氣體組分濃度瞬時增大至原來的兩倍，可得[v]正=[k]正·[2[c]（A）0][a]·[2[c]（B）0][b]=[k]正·[[c]（A）0]a·[[c]（B）0][b]·2[a+b]，[v]逆=[k]逆·[2[c]（C）0][c]=[k]逆·[[c]（C）0][c]·2[c]，顯然，兩個方向速率均增大。若[a+b>c]，則正向速率增大更多，平衡將向著正向，也就是氣體體積減小的方向移動;若[a+b

對于催化劑不影響平衡移動這一結論，從公式角度來量化理解就更容易了，此處不再贅述。

3.用瞬時速率公式，幫助學生理解化學平衡常數

在教材中，平衡常數的概念是通過一組實驗數據得出的。但很多學生對于“為什么溫度一定，一個可逆反應就存在平衡常數”這一問題仍然感到困惑。如果從瞬時速率角度來理解，便可以在一定程度上解開學生的疑惑。比如對于化學反應[a]A（g）+[b]B（g）? [c]C（g），由于在平衡態時[v]正=[v]逆，即[k]正·[c][a]（A）·[cb]（B）=[k]逆·[cc]（C），可得K=[cc]（C）/[[ca]（A）·[cb]（B）]=[k]正/[k]逆。當溫度一定時，[k]正、[k]逆均為定值，因此可推導出二者的比值即K值也必定為定值。對于特定的可逆反應，由于[k]正、[k]逆只與溫度和活化能（催化劑）有關，且升溫，吸熱方向的速率常數增大更多，使用（正）催化劑，正、逆速率常數同等程度增大，在這些結論的基礎上，還可以進一步理解，為什么一個可逆反應平衡常數K的大小只與溫度有關，以及為什么正向反應為放熱反應時，升高溫度、K減小，反之，正向反應為吸熱反應時，升高溫度、K增大。

由是觀之，在教學中即時引入瞬時速率的概念和公式，用定量的方式，分析和證明溫度、催化劑、濃度、壓強等對正、逆反應速率的影響，對平衡移動的影響，以及平衡常數的形成原因和影響因素，可以起到一舉多得的作用。不僅如此，學生還可以進一步利用瞬時速率公式推理解決有關速率與平衡的一系列衍生問題。引入瞬時速率概念，既有利于學生深度理解相關知識、概念和理論，從而辨析清楚一些易混淆的知識，又可以有效地幫助學生構建速率與平衡的內在邏輯關系，形成變化與平衡的知識體系;同時還可以逐步引導學生學會利用公式進行數據推理和定量分析，形成嚴謹的科學思維;最終，有益于學生形成變化觀念與平衡思想，提高化學學科核心素養。

（責編 白聰敏）