“化學平衡移動方向與轉化率的關系”課例研究

張道年

摘要：從化學學科觀念、化學學科思維和化學學科價值追求角度分析探討“平衡移動方向與轉化率之間的關系”教學，以促進學生平衡觀的發展，落實學科核心素養培養目標，切實提升了學生的化學學習能力。

關鍵詞：化學學科觀念；化學學科思維；平衡觀；化學教學；課例研究

文章編號：1005-6629（2018）1-0048-05 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

2014年教育部《關于全面深化課程改革落實立德樹人根本任務的意見》提出在基礎教育階段應幫助學生形成適應個人終身發展和社會發展需要的必備品格和關鍵能力。高中化學核心素養是學生發展核心素養的重要組成部分，是高中生通過化學課程學習所獲得的在知識與技能、過程與方法、情感態度與價值觀等方面的綜合品質與關鍵能力。高中化學核心素養包含化學學科觀念、化學學科思維、科學探究實踐和化學學科價值追求等方面，其中化學學科觀念是化學學科知識和原理的高度抽象和概括，處于化學知識的核心位置。因此在教學實踐中教師應深化對學生學科核心觀念的培養。平衡觀就是化學學科核心觀念之一。從知識價值來看，平衡觀是解決問題的理論依據；從方法價值來看，平衡觀是一種體驗模型認知、科學探究和強化信息意識的有效平臺；從情意價值來看，平衡觀又是培育創新意識、科學精神和社會責任的優質載體，因此與“平衡觀”有關的知識點是培養學生化學核心素養的優質素材。本文選取“化學平衡移動方向與轉化率之間的關系”教學主題進行教學設計（見圖1），以促進學生平衡觀的發展，落實學科核心素養的培養目標。

1初步建立平衡觀念

“知識與技能”是形成和發展學生核心素養的基礎、前提和載體，機械灌輸、被動接受的學科知識和技能是不可能形成核心素養的，而主動建構知識的過程才是核心素養發展的前提。化學平衡移動所導致的反應物轉化率的變化與反應方程式前后的系數大小有很大的關系，學生在這個方面也經常會犯錯誤。例如，恒溫恒容容器中，對于2NO₂（g）←→N₂O4（g）和2HI（g）←→H₂（g）+I₂（g）兩個典型反應，當提出“增加反應物的濃度”，得出“化學反應進行的方向”都向右進行，而得出“反應物的轉化率”分別“增大”和“不變”這兩個結論并不難。但學生并未認識到反應前后系數間大小關系與轉化率變化問的關系，所以對于反應N₂O₄（g）←→2NO₂（g），當提及“增加反應物的濃度”時，多數學生仍會認為反應物的轉化率會增大。因此，筆者針對這一問題進行了如下的教學設計：

1.1勒夏特列原理

如果改變影響平衡的條件之一（如溫度、壓強，以及參加反應的化學物質的濃度），平衡向著能夠減弱這種改變的方向移動。

[問題1]請勾出經驗規則勒夏特列原理的關鍵詞。

因為勒夏特列原理是經驗規則，所以在利用其原理解決問題時一定要抓住關鍵詞。強調勒夏特列原理中“減弱”和“改變”這兩個關鍵詞有利于學生把握要點。

1.2運用勒夏特列原理分析化學反應進行方向

[問題2]表1呈現了三個典型反應。在一定溫度條件下，分別向三個恒容容器中增加反應物。三個容器中的反應分別是2HI（g）←→H₂（g）+I₂（g），2NO₂（g）←→N₂O₄（g）和N₂O₄（g）←→2NO₂（g），請用勒夏特列原理分析化學反應進行的方向。

[分析]見表2。

利用表1，讓學生認識到2HI（g）←→H₂（g）+I₂（g）、2NO₂（g）←→N₂O₄（g）和N₂O₄（g）←→2NO₂（g）三個反應在反應前后體積變化是不同的，分別是不變、減小和增大。再結合表2對問題2進行思考分析，根據勒夏特列原理可知只要增大反應物的濃度，無論反應前后系數是不變、增大，還是減小，化學反應肯定是向正反應方向移動的，這是本節課第一次運用勒夏特列原理分析化學反應進行的方向。

1.3反應物的轉化率

定義：反應掉的反應物濃度占總反應物濃度的百分比。（注：“某個指定反應物的轉化率”定義見人教版選修4第29頁下方小字部分）

公式：某個指定反應物的轉化率=（c（反應掉的反應物）/c（該反應物））×100%

[問題3]向恒容容器中增加反應物，化學反應向正反應方向移動，那么反應物的轉化率是不是增大了？

[回答]不一定。因為觀察公式可發現反應物轉化率情況不但與“分子”的數值有關，還與“分母”的數值有關。雖然“分子”增大了，但是“分母也同樣增大了。

通過問題引導和圖表信息分析，幫助學生認識到物質是在不停運動和變化著的，平衡和運動是密不可分的，客觀世界在不斷地沿著由不平衡到平衡、再由平衡到不平衡的軌跡運動著。所以當增加反應物時，可逆反應必定發生變化，反應物的轉化率也將會發生變化。三個典型反應，增加反應物雖然反應方向都是向右進行的，但反應物的轉化率如何變化還是需要慎重考慮的，從而為深入了解化學平衡移動所導致的反應物轉化率的變化與反應方程式前后的系數大小關系奠定了基礎。

2建立“虛擬容器法”模型

[問題4]一定溫度下，恒容容器中有反應2NO₂（g）←→N₂O₄（g），增大NO₂的濃度，反應物NO₂的轉化率如何變化？endprint

[教師]分析“虛擬容器法”。

[分析]如圖2所示，向反應2NO₂（g）←→N₂O₄（g）的體系中增加反應物，第一步運用虛擬容器法，反應向正反應方向移動，反應物的轉化率是不變的。第二步，將上方虛擬的容器中的氣體“壓人”下面容器中，由于反應容器中的所有物質總的物質的量增加了，而反應物的系數大于生成物的系數，所以平衡應該是向正反應方向移動，最終NO₂的轉化率是升高的。容器Ⅱ相對于容器I而言，反應物的轉化率變化情況可用表3來表示。表3增大反應物濃度和反應物轉化率的變化情況

[結論]一定溫度，恒容容器有反應2NO₂（g）←→N₂O₄（g），再加入反應物NO₂，NO₂的轉化率將增大。反應物體積變化情況與轉化率之間的關系小結見表4。

[問題5]若把反應2NO₂（g）←→N₂O₄（g）換成N₂O₄（g）←→2NO₂（g），情況又將如何呢？

[分析]仍按照虛擬容器法來分析，見圖3。

[問題6]又如2HI（g）←→₂（g）+I₂（g），情況又會發生怎樣的變化？

[分析]再次按照虛擬容器法分析，見圖4。

[小結]反應物體積變化情況與轉化率之間的關系小結見表5。

（1）以反應2N02（g）←→N：0。（g）為例，第一次運用勒夏特列原理說明增加N02后化學反應向右移動了。由于2>1，第二次運用勒夏特列原理，這個反應還有“一股向右的力量”，使得N02的轉化率增大了；

（2）以反應N₂O₄（g）←→2NO₂（g）為例，第一次運用勒夏特列原理說明增加N₂O₄后化學反應向右移動了。由于1<2，所以第二次運用勒夏特列原理，這個反應還有“一股向左的力量”在掣肘著向右的移動，所以N₂O₄的轉化率減小了，這也是學生最難以理解的；

（3）以反應2HI（g）←→H₂（g）+I₂（g）為例，第一次運用勒夏特列原理說明增加HI后化學反應向右移動了。但由于2=2，所以第二次運用勒夏特列原理，化學反應不移動，所以Hl的轉化率不變。

這一環節采用了三個反應體系，分別是2NO₂（g）←→N₂O₄（g），反應物的系數大于生成物；N₂O₄←→2NO₂，反應物的系數小于生成物的系數；2HI（g）←→H₂（g）+I₂（g），反應物系數等于生成物，逐一呈現反應，并提出增加反應物，平衡移動的問題，引導學生依據勒夏特列原理，利用虛擬容器法不斷思考和比較分析，形成對化學平衡移動所導致的反應物轉化率的變化與反應方程式前后的系數大小關系的全面認識。

人類運用化學方法探索物質世界時，常常對大量實驗事實進行比較分析、歸納概括后，還需要通過抽象和簡化的方法建立模型，再現物質及其變化的基本規律，這就是“模型認知”思維。對于“平衡移動的方向”與“轉化率”之間的關系，教師引導學生認識化學模型——“虛擬容器法”，并利用該模型分析不同類別的具體化學反應，歸納總結出在不同類型的可逆反應中，增加反應物的量，反應物的轉化率變化的規律和本質。

3“診斷→反思→總結”的歷程

基于上述環節中三個典型反應的模型分析，學生對化學平衡移動的方向與轉化率變化之間的關系形成了深刻認識。這時需要進一步創設條件讓學生運用知識進行問題解決，以促進知識的內化和問題解決能力的發展。

人教版《化學反應原理（選修4）》不僅有“化學平衡”，還有與化學平衡息息相關的“電解質溶液”，其中的弱電解質的電離、鹽類的水解等內容，均涉及濃度的變化對弱電解質的電離程度，或鹽類水解程度的影響。但在之前必須要建立“微粒觀”，要介紹給學生無論是CH₃COOH（aq）←→CH₃C00^-（aq）+H⁺（aq），還是Fe³⁺（aq）+3H₂O←→Fe（OH）₃（膠體）+3H⁺（aq），都屬于微粒數“1→多”的形式，與上述介紹的N₂O₄（g）F←→2NO₂（g）類似，因此可以以弱電解質的電離程度，或是鹽類的水解程度為研究問題，并運用“類推法”予以解決。

3.1弱電解質的電離

[問題6]恒溫恒容，N₂O₄（g）←→2NO₂（g）類推CH₃COOH（aq）←→CH₃COO^-（aq）+H⁺（aq），若改變醋酸的濃度，那么CH₃COOH的電離程度如何變化？（見表6）

3.2鹽類的水解

[問題7]恒溫恒容，N₂O₄（g）←→2NO₂（g）類推Fe³⁺（aq）+3H₂O（1）←→Fe（OH）₃（膠體）+3H⁺（aq）。若改變Fe³⁺的濃度，那么Fe³⁺的水解程度如何變化？（見表7）

在學習“弱電解質的電離程度”和“鹽類的水解程度”時，運用“模型認知”，學生驚訝地發現，原來“化學平衡的移動與轉化率之間的關系”在這兩部分中仍然是可以應用的！學習化學的熱情被極大地激發了，而且還能更深刻地理解了化學科學的人文內涵。

《普通高中化學課程標準》以培養學生核心素養為終極目標，并明確指出“高中化學課程以進一步提高學生的科學素養為宗旨，是科學教育的重要組成部分，它對提高學生的科學素養，促進學生的全面發展有著不可替代的作用”。化學學科觀念包括“結構決定性質”思想、“守恒”思想、“平衡”思想和“能量”思想等，它們是化學學科核心素養的重要組成部分，是學科中深層次的寓意。在可逆反應中“改變外界條件，轉化率如何變化？”這個基本認識形成后，通過“診斷→反思→總結”的思考路徑，運用“類推法”順理成章地解決電解質溶液中的“轉化率”問題，實現了知識的聯系，讓學生充分感悟到化學學科的魅力。與“平衡觀”相關的知識還遠不止這些，例如可逆反應中K和Q的大小比較可以作為判斷反應進行方向的判據，而在“弱電解質的電離”、“沉淀溶解平衡”和“鹽類的水解”等章節判斷反應的方向也可以廣泛應用，這又是“平衡觀”在化學學科中的體現，有待于今后繼續研究。endprint