化學學科“變化觀念與平衡思想”核心素養的建構

杜德祥

(昆明市第一中學，云南 昆明 650031)

“變化觀念與平衡思想” 是化學學科五個核心素養中最基本的核心素養，是學生了解、認識、解決化學常見問題的基礎。變化是化學永恒的主題，同時化學變化的過程又是守恒的，守恒是物質世界運動的一大特點，是自然界最重要的基本規律。化學學科中同樣存在著守恒現象，物質在發生化學變化的同時會滿足諸如：質量守恒、物料守恒、能量守恒、電荷守恒、得失電子守恒等。能從不同的視角對紛繁復雜的化學反應進行研究，揭示各類變化的特征和規律，能用對立統一、動態平衡的觀點考察認識化學反應，這是“變化觀念與平衡思想”的應有之義。“變化觀念與平衡思想”包含幾個互為聯系的要素：變化的本質、變化的表征、變化是定量的、變化是守恒的、變化伴隨能量變化、化學反應速率、化學平衡理論、化學反應進行的方向等。本文側重探討如何建構化學變化及變化中的平衡思想。

1 化學反應中的變化和守恒關系

對化學變化的認識：化學變化是原子進行重新組合的過程。因此任何化學變化中都必然存在如下守恒關系：在化學變化的前后，任一原子的種類和個數都相等。質量守恒定律是化學變化前后原子種類和原子個數不變的必然結果。質量守恒定律是進行化學(含離子)方程式配平、方程式正誤判斷、化學計算等的重要依據。僅舉一例來體會高考試題中的創新型試題對質量守恒定律的考查。

例1(2017年全國理綜III卷節選)氟他胺G是一種可用于治療腫瘤的藥物。實驗室由芳香烴A制備G的合成路線如下：

(3)⑤的反應方程式為。吡啶是一種有機堿，其作用是。

【解析】根據逆向思維法，可容易推出F的結構簡式為：

由此⑤的反應中，兩種反應物都已經知道，而F的結構簡式又已經推出，根據質量守恒定律，可知另一種產物為HCl。所以本題的正確答案為：

；吸收反應產物之一HCl，提高反應物的轉化率。

2 化學式(含離子)中元素化合價的推導

某種元素可以形成不同的化合物，在這些化合物中，某種元素的化合價可能不相同，這可以理解為是同一元素在不同化合物中變化的具體內容。但在任何一種化合物中都存在如下的守恒關系：各元素化合價的代數和為零，離子中則表現為：各元素化合價的代數和在數值上等于離子所帶的電荷數。

例3(2017年全國理綜I卷節選)Li2Ti5O15中Ti的化合價為+4，其中過氧鍵的數目為。

3 氧化還原反應中的變化和守恒關系

氧化還原反應的本質是有電子轉移，表現形式為有元素的化合價發生變化。存在的守恒關系為：任何氧化還原反應中，氧化劑得到的電子總數一定等于還原劑失去的電子總數，即化合價降低的總數一定等于化合價升高的總數。對氧化還原反應的考查，形式多樣，但核心幾乎都是考查重要氧化劑、還原劑的性質(變化)以及對變化中轉移的電子數的考查。

3.1 配平

從方法論的角度，化學方程式(含離子方程式)的配平，如果按照以下先后順序進行，常常可以起到事半功倍的效果，從而大大提高配平速度：正確標出化合價發生變化的元素的化合價→利用最小公倍數法，使化合價升高的總數等于化合價降低的總數→完善(配平化合價未變的金屬元素→配平酸根離子→配平H元素→配平O元素)，若是離子型反應，在配平的“完善”環節，一般按如下順序進行：配平化合價未變的金屬元素→使反應前后電荷守恒，此時要高度注意反應進行的酸堿性環境，常常需要據此來添加H+、OH-或H2O以實現電荷守恒。

本題考核的是氧化還原反應的最核心、最本質的內容即得失電子相等，按照上述方法，首先推出反應前Fe、Cr和N的化合價依次為+2、+3和+5，反應后Fe、Cr和N的化合價依次為+3、+6和+3，根據化合價升降總數相等的原則，可推出FeO·Cr2O3與NaNO3的系數比為2∶7。

3.2 書寫

例5(2017年全國理綜I卷節選)Li4Ti5O12和LiFePO4都是鋰離子電池的電極材料，可利用鈦鐵礦(主要成分為FeTiO3，還含有少量MgO、SiO2等雜質)來制備，工藝流程如下：

寫出“高溫煅燒②”中由FePO4制備LiFePO4的化學方程式。

【解析】由題中圖示可知反應物為FePO4、Li2CO3、H2C2O4，而產物之一為LiFePO4，Fe的化合價由+3降低為+2，H2C2O4中C的化合價為+3，根據原子結構和元素化合物的基礎知識，反應后C的化合價必定會升高變為+4，高溫條件下會生成CO2，這樣就有FePO4+Li2CO3+H2C2O4→LiFePO4+CO2，根據化合價升降總數相等可得2FePO4+Li2CO3+1H2C2O4→2LiFePO4+CO2。值得注意的是，產物CO2不僅來自于H2C2O4，還來自于Li2CO3，但經過上述操作后就確保了化合價升降總數相等，最后再經完善得：2FePO4+1Li2CO3+1H2C2O4→2LiFePO4+3CO2+H2O，省略數字“1”，可得由FePO4制備LiFePO4的化學方程式為：2FePO4+Li2CO3+H2C2O4=2LiFePO4+3CO2+H2O。

3.3 電化學中的變化和守恒關系

電化學(含原電池和電解池)其實是氧化還原反應應用的一個特殊領域，有電子轉移是其本質。普通氧化還原反應中電子的得失是同時、同處發生，而電化學中的電子轉移卻是同時但不同處發生，這樣就必然出現電子的定向移動，由此就蘊含著電化學中的很多“變化”。守恒關系是：無論發生何種變化，一個電極失去的電子總數一定等于另一個電極得到的電子總數。這是電化學中的變與不變的對立統一。

A.負載通過0.04 mol電子時，有0.224 L(標準狀況)O2參與反應

B.正極區溶液的pH降低、負極區溶液的pH升高

C.電池總反應為4VB2+11O2+200H-+6H2O=8B(OH)4-+4VO43-

D.電流由復合碳電極經負載、VB2電極、KOH溶液回到復合碳電極

4 水溶液中的變化和守恒關系

水溶液中的變化，一般包括電離、水解以及可能存在的一些反應；而守恒常常指的是三大守恒關系即質子守恒、電荷守恒、物料守恒。

在實際的教學過程中，可以讓學生思考并寫出如NH4Cl、NaHCO3等溶液中的各種守恒關系以及由這些等式關系推出的一些其它等式或不等式關系。對水溶液中的這種“變化觀念與平衡思想”的考查，在歷年的高考中也受到了充分的重視，如2017年高考理綜I卷第13題、2017年高考理綜II卷第12題等，因此應引起師生足夠的重視。

5 核反應中的變化和守恒關系

“變化”為：核素等發生了變化。“守恒”為：變化前后質子數、電子數、質量數、中子數等不變。

【解析】由核反應前后質量數相等，有w+4=30+1，得w=27，再根據原子結構以及“元素X、Y的最外層電子數之和為8”，得z=13，即X為鋁元素，Y為磷元素。容易推得本題答案為B。

6 熱反應中的變化和守恒關系

熱反應中的變化包括物質狀態的變化以及變化過程中反應途徑、化學鍵等的變化，而守恒則是指描述能量守恒的蓋斯定律、舊化學鍵斷裂和新化學鍵生成過程中的能量變化等。

例8(2020年北京卷)依據圖示關系，下列說法不正確的是( )

A. 石墨燃燒是放熱反應；B. 1 mol C(石墨)和1 mol CO分別在足量O2中燃燒，全部轉化為CO2，前者放熱多；C. C(石墨)+CO2(g)=2CO(g) ΔH=ΔH1-ΔH2；D.化學反應的ΔH，只與反應體系的始態和終態有關，與反應途徑無關。

【解析】石墨燃燒的ΔH1=-393.5 kJ·mol-1，為放熱反應，故A選項正確；由圖示，1 mol C(石墨)和 1 mol CO分別在足量O2中燃燒，H依次為 -393.5 kJ·mol-1和 -283.0 kJ·mol-1，所以前者放熱多，故B選項正確；由蓋斯定律可推得C(石墨)+CO2(g)=2CO(g) ΔH=ΔH1-2·ΔH2，所以C選項錯誤；D選項是蓋斯定律的具體內涵，故正確。

例9(2019年海南卷)根據下圖中的能量關系，可求得C—H的鍵能為( )

A.414 kJ·mol-1；B.377 kJ·mol-1；C.235 kJ·mol-1；D.197 kJ·mol-1。

【解析】根據題圖可知 1 mol CH4(g)分解變成 1 mol C(g)和 4 mol H(g)，共吸收的能量是(75+717+864)kJ=1656 kJ，則C—H鍵的鍵能為 1656 kJ÷4 mol=414 kJmol-1，故選A。

7 溶液配制過程中的變化和守恒關系

變化：物質的聚集狀態發生變化，有的甚至與水發生反應；守恒：溶質質量在配制成溶液前后相等，或同種物質在同一溫度下的飽和溶液，濃度相等。

例10 已知 20 ℃ 時，CuSO4飽和溶液的溶質質量分數為17.2%。現向 20 ℃ 時的 100 g CuSO4飽和溶液中加入 3.20 g CuSO4(s)，求足夠長時間后析出CuSO4·5H2O的質量。

8 結語

變化觀念與平衡思想的關鍵在于變化與平衡，能認識到物質是不斷運動、變化的，能根據物質結構以及元素化合物的知識，具體準確地分析出各個具體的化學變化中所發生的的“變化”的具體內容，同時能用對立統一、動態平衡的觀點深刻地分析變化和變化中存在的平衡關系，這樣才能達到化學學科核心素養中之“變化觀念與平衡思想”的要求。