例析化學平衡移動解題典型錯誤與對策

2023-04-16 07:12:26趙旭東

教學考試(高考化學) 2023年1期

趙旭東

(云南省巍山縣第二中學)

化學平衡是高考化學必考考點,高考評價體系發布后,高考更加深入地考查學生的思維能力。分析發現,化學平衡解題中的一些典型錯誤,恰恰是思維層面的,故本文著重從思維層面分析化學平衡解題中的典型錯誤并給出對策。

一、推理過程中偷換概念,違背形式邏輯的同一律

【錯誤解析】壓強增大,化學平衡向氣體體積減小的方向移動(大前提);恒溫恒容下,充入稀有氣體,氣體分子數增加,壓強增大且此反應的正反應是氣體體積縮小的反應(小前提);所以化學平衡向正反應方向移動(結論)。

【錯因分析】壓強增大導致化學平衡的移動、壓強增大的原因、反應前后氣體體積的變化,將三者割裂看都是正確的,但結論是錯誤的。從形式邏輯看,此錯誤解析的推理用的是“三段論”,錯在大前提、小前提中的“壓強增大”含義不同——大前提中“壓強增大”指“壓縮體積導致壓強增大”,小前提中的“壓強增大”是“恒溫恒容下氣體分子數增加導致的壓強增大”,推理時大前提中“壓強增大”的概念被偷換,違背了形式邏輯的基本規律——同一律(同一概念的內涵在推理過程中前后必須保持一致)。

【正確解析】恒溫恒容下,向已達平衡的混合氣體中充入稀有氣體,對于反應混合氣體而言,活化分子總數、單位體積內活化分子百分數均無變化,所以單位時間內的有效碰撞次數未發生改變,化學反應速率在充入稀有氣體前后未發生改變,故平衡不發生移動。

【對策】學生沒有學過形式邏輯,故教師教學時應撇開形式邏輯,要教會學生進行正確的推理——推理中同一概念的含義前后必須一致,否則得出的結論是錯誤的。目前中學階段沒有哪個學科介紹形式邏輯中的“三段論”,更不要說學習了,但“三段論”源于生活和學習、源于各個學科,因此解決化學問題應該回到化學角度進行分析。由于學生在學習中會多次運用到“三段論”進行推理,只要老師反復敘述運用“三段論”進行推理的過程,在潛移默化中就會被學生掌握和運用。

二、缺少有效方法——設置虛擬過程

【錯誤解析】恒溫恒壓下充入一定量的稀有氣體,因為“恒壓”即壓強不變,所以平衡不發生移動。

【錯因分析】從形式邏輯角度講,此錯誤解析仍為在推理過程中偷換概念,導致“恒壓”的含義前后不一致。已知中的“恒壓”為充入稀有氣體后的體系總壓,而推理時錯將其當成反應混合氣體的總壓(不含充入的稀有氣體產生的壓強),故“恒壓”概念在推理過程中前后含義不一致,導致得出錯誤結論。在例1中,我們已經形成了“解決化學問題應該回到化學角度進行分析”的對策,但是從化學角度分析的時候,便遇到了新的問題——缺少有效方法。很多老師或教輔在解釋恒壓下充入稀有氣體時,說法是“其等同于壓強減小”,學生見到的是已知中的“恒壓”與解釋中的“壓強減小”兩種情況不一致,學生很難接受它們是等同的,因此,教師要另辟蹊徑幫助學生理解,那么設置虛擬過程就是一種很好的思維方法。

【正確解析】設置虛擬過程進行分析。

假設在恒溫恒容下充入稀有氣體(如He),平衡不發生移動(見例1),此時容器內總壓強增大,為實現已知中的“恒壓”(總壓強不變),只有將容器容積擴大。容器容積擴大,對于反應混合氣體而言壓強減小;反應混合氣體壓強減小就會導致平衡向逆反應方向移動。為便于理解設置虛擬過程,請觀察圖1,虛線框內的過程即為虛擬過程。

圖1

設置虛擬過程正確性的簡單證明:類比蓋斯定律,一個反應不論是一步完成還是分步完成,其反應熱是相同的;觀察原過程與虛擬過程,沒有違背質量守恒、能量守恒,所以設置虛擬過程相當于化學反應走另外一個途徑,變化的結果只與始態和終態有關而與途徑無關。

【對策】設置虛擬過程,使變化清晰,便于學生理解。

三、未建構起等效平衡思想

【錯誤解析】恒溫恒容下充入N2O4(g),c(N2O4)增大,N2O4(g)是生成物,所以平衡向逆反應方向移動,m(NO2)增加,所以NO2的質量分數增大。

【正確解析】等效平衡:同溫同壓下各物質的質量分數(物質的量分數)對應相等的平衡互稱為等效平衡。如圖2所示,已達平衡的混合氣體記作a,將充入N2O4(g)在同溫同壓下建立的與a的等效平衡記作b;由于a、b中各物質的質量分數對應相等,將a、b拼接,然后抽去隔板,此時平衡不移動;為實現題給要求“恒容”,則將a+b的體積壓縮為a的體積,則容器內壓強增大,據“壓強增大平衡向氣體體積減少的方向移動”,正反應是氣體體積減小的反應,據此判斷出平衡正向移動,NO2(g)的質量分數減小。由于結果與過程無關,只與始態、終態有關,所以NO2(g)的質量分數減小。

圖2

【錯誤解析】恒溫恒容下,達平衡后,再充入1 molB(g),c(B)增大,平衡正向移動。根據勒夏特列原理,平衡移動只能“減弱”而不能“抵消”這種改變,所以B的平衡轉化率減小。

【錯因分析】平衡后,充入的1 mol B(g)與過量A(s)反應,也要建立平衡,所以實質是充入平衡混合物,所以只按照充入B(g)進行推理,與事實不相符。

【正確解析】原平衡中A(s)過量,再充入1 mol B(g),A(s)仍然過量;設置虛擬過程——將后加入的1 mol B(g)和取出過量的A(s)中的部分(假設1 mol,且忽略其體積)在另一容器中建立原平衡的等效平衡,兩容器拼接、打通,平衡不移動,但是要實現恒容,壓縮拼接后的容器體積至原容器體積,則壓強增大,平衡正向移動,所以B(g)平衡轉化率增大。

【提示】化學方程式一側只有一種氣體或一種氣體+一種固體,平衡后再加入這種氣體,實際上應該看成是加入與原平衡等效的平衡混合物,故平衡移動、轉化率的判斷可以通過設置虛擬過程進行分析。

四、漏考慮體積擴大造成濃度減小占主導地位

【錯誤解析】再達平衡時c(A)由0.50 mol/L變為0.30 mol/L,所以c(A)減小,A(g)為反應物,故平衡向正反應方向移動。

【錯因分析】漏考慮“容器容積擴大到原來的兩倍”,假設平衡不移動,氣體濃度變為原來的一半,即c(A)由0.50 mol/L變為0.25 mol/L。然后用新平衡下c(A)與0.25 mol/L進行比較才正確。

【正確解析】假設平衡不移動,則反應混合物濃度變為原來的一半,即c(A)由0.50 mol/L變為0.25 mol/L(此為設置虛擬過程),而c(A)實際為0.30 mol/L>0.25 mol/L,故平衡向逆反應方向移動。

五、不會將坐標表示的非直觀的量轉化為直觀的量,導致讀不懂圖

圖3

【錯因分析】將橫坐標變為c(H2O),學生馬上就會分析,并很快得出正確結論:圖3錯誤。由此可見,學生不會做的原因是不懂得將坐標表示的非直觀的量轉化為直觀的量,導致讀不懂圖。

【對策】遇到坐標圖中非直觀的量首先要將其轉化為直觀的量,這樣能夠讀懂圖。

六、不知道存在不適用勒夏特列原理的可逆反應

( )

C.加入等物質的量的Y和Z,達新平衡后c(Z)增大

【錯誤解析1】達平衡后加入Y(s)和Z(g),Y為固體,所以c(Z)增大,Z是生成物,增大生成物的濃度,平衡逆向移動;根據勒夏特列原理,平衡逆向移動,只能減弱c(Z)的增大而不能抵消,所以C正確。

【錯誤解析2】據等效平衡,加入等物質的量Y和Z等效于加入與原平衡各物的物質的量分數相同的平衡混合物。設置虛擬過程,將擬加入的等物質的量的Y和Z在一定體積的容器內達成與原平衡的等效平衡,與原容器拼接、抽去隔板、并壓縮為原容器體積實現恒容。故壓強增大,平衡向逆反應方向移動,據勒夏特列原理,平衡移動只能“減弱”這種改變而不能“抵消”,所以c(Z)增大。故C正確。

【錯因分析】等效平衡、設置虛擬過程的運用都正確,勒夏特列原理也不可能錯,但兩種分析得出的結論都是錯誤的。原因是氣體物質只出現在化學方程式一側,增大壓強、增大氣體物質的濃度不適用勒夏特列原理[參見張晨;沈甸《“勒夏特列原理”適用范圍探討及教學建議》(《化學教學》2021年第1期)]。

【正確解析】Kc=c(Z),“某溫度下”即溫度不變,平衡常數只與溫度有關,所以Kc不變,故c(Z)不變,C錯。

【對策】做完這類題后,教師可以引導學生用簡單明了的語言總結“氣體物質只出現在化學方程式一側時,增大壓強、增大氣體物質的濃度不適用勒夏特列原理”。故解決此類問題時,應寫出Kc表達式,根據平衡常數只與溫度有關進行推理和判斷。對于p(Z)的變化判斷,寫出Kp表達式,根據平衡常數只與溫度有關進行推理和判斷。學生通過本例也要認識到,這類反應其實是平衡移動抵消了濃度、壓強的改變。

【提示】辯證地看待勒夏特列原理,不能因為勒夏特列原理不適用于少數可逆反應就質疑它甚至拋棄不用,也不能忘記類似于例6的特殊情況而泛化使用。

七、短時記憶差,導致無法完成推理

本文前面已經涉及有關化學平衡移動的推理,“三段論”用的比較多,推理時要同時用到大前提(平衡移動原理)、小前提(化學方程式及其他已知信息)。對于正常學習的學生,單獨復述平衡移動原理他們能快速正確地完成,單獨提取小前提也沒有問題,但是其中短時記憶比較差的學生,提取小前提后便會忘記大前提,再次復述大前提時,又忘記了小前提;再次提取小前提時,又會忘記大前提,周而復始進入死循環,導致這部分學生無法完成推理。怎樣克服短時記憶差呢?我們可以創造直觀、形象的符號濃縮大小前提,并寫在紙上,邊寫邊推。

(4)恒壓下,CO2和H2的起始物質的量比為1∶3時,該反應在無分子篩膜時甲醇的平衡產率和有分子篩膜時甲醇的產率隨溫度的變化如圖4所示,其中分子篩膜能選擇性分離出H2O。