建模思想在化學反應原理教學中的應用

張美芳

在化學反應原理的教學中，大多數學生感覺化學知識點抽象，較難理解。在平時的教學中，雖有實驗演示、動畫模擬、實物投影等多種教學手段幫助學生學習，但是在具體的問題和試題中，僅靠想象和理解，難免會出差錯。教師若在化學反應原理教學中，幫助學生建立化學模型，深化理解化學反應原理的相關知識，可以將復雜的化學問題簡單化。

現行《化學考試大綱說明》中要求學生具備“能夠將分析問題的過程和成果，用正確的化學術語及文字、圖表、模型、圖形等表達并作出解釋的能力”。其實，這就是要求學生具備建構模型與應用模型的能力。本文通過幾則具體的教學案例，初步闡述建模思想在化學反應原理教學中的應用。

一、化學建模

模型，中文原意即規范。按錢學森的觀點：“模型就是通過我們對問題的分析，利用我們考察來的機理，吸收一切主要因素，略去一切不主要因素所創造出來的一幅圖畫。”

在查閱文獻的基礎上我們將化學建模定義為：在解決化學問題時，為了揭示事物的本質和研究的方便，用化學的語言、方法從復雜的化學問題、條件和現象中經過簡化、抽象得出化學模型的過程就是化學建模。簡而言之，化學建模就是化學模型建立的過程。

在應用化學模型解決具體問題時，首先要將待解決的化學問題轉化為容易解決的模型問題，然后把解決模型問題中的分析方法或程序步驟遷移至待解決的問題中，從而形成解決實際問題的方案。應用模型的本質就是轉化，其應用流程如圖1所示。

二、建模思想在化學反應原理中的幾則教學案例

1.建模思想在原電池教學中的應用

教材中出現的是Zn-Cu-稀硫酸原電池。因為鋅是活潑金屬，容易失去電子，發生氧化反應，作為原電池的負極。鋅棒失去的電子沿導線流到銅棒表面，然后溶液中的H+在銅棒的表面上得到電子，發生還原反應，不活潑金屬銅作為原電池的正極。在溶液中，由于銅棒上聚集了電子，所以溶液中陽離子移向銅棒（正極）；鋅棒附近產生了大量的Zn2+，吸引溶液中的陰離子，所以陰離子移向鋅極（負極），這就是“同種電荷相互排斥、不同電荷相互吸引”的物理模型在原電池知識中的應用。原電池中外電路的電流是由電子的定向移動傳導，內電路的電流是由陰陽離子的定向移動傳導，內電路的電流與外電路的電流方向剛好相反，因此形成一個閉合的回路。

通過對課本中Zn-Cu-稀H2SO4原電池具體案例的理解、概括和深化，我們可以建立原電池的教學模型如圖2所示。

在解題過程中，學生可以將實際原電池問題與銅鋅原電池這個模型相對照，相關試題便會迎刃而解。

2.建模思想在化學平衡試題中的應用

例1在恒溫、恒容條件下，向1L密閉容器中加入1mol SO3氣體，發生反應：

2SO3（g）2SO2（g）+O2（g），達到平衡后，再向容器中加入1mol SO3，SO3轉化率如何變化？

解析1 mol 1 L的SO3等效于2 mol 2 L

SO3，建立等壓壓縮模型，如圖3所示。

通過上述的等壓壓縮模型，得到結論：增加SO3的量相當于加壓，平衡逆向移動，SO3的轉化率減小。

最后，建立如下的解題模型：恒溫恒容下的分解反應：

aA（g）bB（g）+bC（g）

條件特點A的轉化率

增加A的量

（相當于加壓）a>b+c 增大

a=b+c不變

a

例2體積相同的甲乙兩個容器中，分別都充有等物質的量的SO2和O2，在相同溫度下發生反應：2SO2+O22SO3并達到平衡。在這過程中，甲容器保持體積不變，乙容器保持壓強不變，若甲容器中SO2的轉化率為p%，則乙容器中SO2的轉化率（ ）。

A.等于p% B.大于p%

C.小于p% D.無法確定

解析設甲、乙兩容器中變化途徑如下：

即：乙平衡在甲平衡的基礎上，加壓，對于反應2SO2+O22SO3，平衡右移，SO2的轉化率增大，故乙容器中SO2的轉化率大于p%。

最后，建立解題模型：對于氣體系數減小的反應，恒壓時平衡相當于在恒容時平衡的基礎上加壓。

3.建模思想在質子守恒試題中的應用

例30.1mol·L-1 HCN和NaCN混合溶液的質子守恒式

分別選擇CN-和H2O為參考水準、HCN和H2O為參考水準（注意選擇2個參考水準，分別用質子守恒示意圖分析，如圖5、圖6所示）。

通常參考水準是選擇原始的酸堿組分，大量存在并與質子轉移直接有關的酸堿組分。在高中階段，一般為能水解的陰離子和H2O或者弱酸和H2O。

得（1）式：c（HCN）-0.1+c（H+）=c（OH-） （注意原溶液中有0.1mol·L-1的HCN，所以HCN濃度要減去0.1 mol.L-1 ）

得（2）式：c（H+）=c（OH-）+c（CN-）-0.1（注意原溶液中有0.1mol·L-1 的CN-，所以CN-濃度要減去0.1 mol·L-1 ）

（1）式+（2）式得：c（HCN）+2c（H+）=

2c（OH-）+c（CN-），這就是0.1 mol·L-1 HCN和NaCN混合溶液的質子守恒式。

最后，建立混合溶液中質子守恒題的解題模型：解混合溶液中質子守恒這類題時，要求先分別選擇2個參考水準，分別用質子守恒示意圖分析，最后將得到的2個質子守恒式相加，即得到混合溶液中質子守恒式。

總之，建模思想和建模教學是化學反應原理教學中最有效的方法之一。它是通過學生對已有學習經驗的歸納、總結，從感性認識上升到理性認識，建立具體的化學模型，再用具體的化學模型與實際問題相匹配或遷移，最終達到解決問題的一種科學的教學方法。

建模思想和建模教學能有效地提高化學課堂的教學效果，有利于學生深刻理解化學反應原理，提高學生的學習效率和成績。

（收稿日期：2014-12-23）