高中化學“宏-微-符”三重表征分析

◇ 山東 趙曉燕

高中化學“宏-微-符”三重表征分析

◇ 山東 趙曉燕

1 化學反應與能量變化的“宏-微-符”分析

化學反應過程中出現發光、放熱等現象能體現光能、熱能以及化學能等之間的相互轉化.人們能夠通過直觀感知以及化學儀器的測量來發現和觀察能量變化的宏觀現象.從微觀角度來看,這些能量的變化是由于不同原子之間相互作用而形成的.為了更直觀、更簡潔地表達反應過程中能量的變化,人們運用符號、方程式等進行表示.

例如,在實驗中測得1molH2與1molCl2發生反應生成2molHCl,釋放出183kJ的熱量.教師可引導學生從“宏-微-符”這3個方面進行分析:1)宏觀角度.反應過程中H2、Cl2這2種反應物反應放出了能量,由于反應前的總能量大于反應后生成物的總能量,即ΔH＞0,因而該反應是放熱反應.2)微觀角度.在化學反應過程中,1molH2和1molCl2分子的化學鍵克服原子間的相互作用,分別吸收了436kJ和243kJ的能量,生成物分子的化學鍵形成時則釋放了862kJ的能量,可見該化學反應屬于放熱放應.3)符號角度.這一化學反應可以表示為H2(g)＋Cl2(g)＝2HCl(g),其反應熱為ΔH＝－183kJ·mol－1.

通過對“宏-微-符”這3個角度的分析,學生能更好地掌握化學反應熱的計算,并能建立三者之間的聯系,從而能更全面、準確地理解蓋斯定律的涵義和意義,提高化學解題能力.

2 化學能與電能轉化的“宏-微-符”分析

化學能只有在發生化學變化的時候才釋放出來,并轉化為熱能或者其他形式的能量.其中,一次電池、二次電池以及燃料電池等化學電池的應用正是化學能和電能轉化的表現.我們日常使用的堿性鋅-錳干電池的正極往往由較不活潑的金屬(如錳)或非金屬組成,而負極則由鋅等活潑金屬組成.從宏觀角度分析,鋅-錳干電池具有連續放電、放電時間長、可存儲時間長等優勢.從微觀角度分析,鋅-錳干電池的正負極原子在閉合回路中發生化學反應,負極的Zn與OH－結合,失去2個e－,從而形成不帶電的Zn(OH)2;而正極的MnO2得到2個e－,并和H2O分子結合生成2個MnOOH和2個OH－.可見,OH－在電池的正、負2極之間循環流動從而形成電流.從符號角度分析,鋅-錳干電池的電極反應可以表示為

負極:Zn＋2OH－－2e－＝Zn(OH)2;

“宏-微-符”三重表征的結合分析將有利于學生對化學能與電能轉化這一知識的貫通理解,完善化學電池的知識結構.

3 化學反應速率和化學平衡的“宏-微-符”分析

化學反應速率是衡量化學反應進行快慢的物理量,受反應時間、溫度、壓強、濃度以及催化劑等因素的影響.當外界環境符合反應物有效碰撞的條件時,化學反應才能發生.例如,通過Na2S2O3和H2SO4反應的2組對比,可以發現加熱的一組的試管中首先出現渾濁,根據這一宏觀現象,可以得出結論:1)通過提高溫度使分子獲得更高的能量,活化分子百分比提高; 2)含有較高能量的分子間碰撞頻率也隨之提高.可見,升高溫度能使普通分子變成活化分子,實現有效碰撞,從而提高化學反應速率.從符號角度來看,這一實驗的化學方程式可表述為Na2S2O3＋H2SO4＝Na2SO4＋SO2＋S↓＋H2O.

化學平衡狀態是指在一定條件下的可逆反應中,正、逆反應速率相等,反應混合物中各組分的濃度保持不變的狀態.可以通過改變化學反應條件來改變平衡狀態,實現平衡移動.例如,NO2球浸泡在冰水和熱水中,可以觀察到浸泡在冰水中的NO2球的紅棕色明顯變淺,而浸泡在熱水中的NO2球的紅棕色則明顯加深.在溫度較低的情況下,NO2分子反應并不活躍,濃度減小,化學反應速率慢;而在溫度較高的情況下,NO2分子變成活化分子,濃度增大,化學反應速率快.這一實驗的公式則可以表達為:

上式直觀地表達出NO2和N2O4的相互轉化和顏色特點,有利于加強高中生在宏觀、微觀上的理解,進而總結出NO2在不同溫度的水中的平衡狀態,強化學生對化學反應規律的感知.

“宏-微-符”三重表征結合分析有利于提高學生學習化學反應原理的效率,教師應將“宏-微-符”分析思維滲透到日常教學中,引導學生逐步形成宏觀、微觀、符號相結合的化學思維習慣,進一步完善和發展化學反應原理的知識體系,強化對高中化學的學習能力.

山東省濱州市鄒平縣第一中學)