核心素養(yǎng)視角下例析化學(xué)平衡中的“意想不到”

杜林存

摘 要 通過從外界條件變化對物質(zhì)狀態(tài)影響和多因素共同作用下的化學(xué)平衡兩個(gè)角度分析化學(xué)平衡中的“意向不到”，以此來突破學(xué)生的思維定式，達(dá)到提升思維品質(zhì)的目的。

關(guān)鍵詞 核心素養(yǎng) 化學(xué)平衡 意想不到 思維

中圖分類號(hào)：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2018.09.061

Abstract By analyzing the influence of the external conditions on the state of matter and the chemical balance under the influence of multiple factors， the "intentionality" in the chemical balance is analyzed to break through the students' thinking style and achieve the purpose of improving the quality of thinking.

Keywords core literacy； chemical equilibrium； unexpected； thinking

化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)已成為現(xiàn)階段與今后化學(xué)教學(xué)的主流導(dǎo)向，其內(nèi)容涵蓋了宏觀辨識(shí)與微觀探析、變化觀念與平衡思想、證據(jù)推理與模型認(rèn)知、科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)、科學(xué)精神和社會(huì)責(zé)任等方面。這要求教師需要轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的教學(xué)模式，讓學(xué)生獲得適應(yīng)未來社會(huì)的學(xué)習(xí)能力。有專家指出，學(xué)科素養(yǎng)發(fā)展的核心是學(xué)科思維的培養(yǎng)與發(fā)展。[1]因此，無論在課堂教學(xué)還是習(xí)題編寫，化學(xué)學(xué)科思維的研究、構(gòu)建、滲透的重要性不言而喻。本文選取一些培養(yǎng)學(xué)生思維品質(zhì)的化學(xué)平衡習(xí)題進(jìn)行研究，讓學(xué)生在“意想不到”中實(shí)現(xiàn)圖對傳統(tǒng)定勢思維的突破。

1 化學(xué)反應(yīng)平衡與化學(xué)反應(yīng)速率

可逆反應(yīng)在一定條件下進(jìn)行到一定程度時(shí)，正反應(yīng)速率和逆反應(yīng)速率相等，反應(yīng)物和生成物的濃度不再發(fā)生變化，反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)?；瘜W(xué)平衡是一種動(dòng)態(tài)平衡。在化學(xué)平衡狀態(tài)下化學(xué)反應(yīng)仍在進(jìn)行，但反應(yīng)混合物的組成保持不變。當(dāng)反應(yīng)條件改變時(shí)，原化學(xué)平衡狀態(tài)被破壞，一段時(shí)間后會(huì)達(dá)到新的平衡狀態(tài)。[2]改變影響化學(xué)平衡的因素，平衡將向著能夠減弱這種改變的方向移動(dòng)。[3]平衡移動(dòng)的實(shí)質(zhì)是外界條件的變化導(dǎo)致正逆反應(yīng)速率發(fā)生不同程度的變化。雖然外界條件如溫度、濃度、壓強(qiáng)、催化劑、光照、接觸面積、溶劑的變化都有可能引起反應(yīng)速率的變化，但并不一定都能引起平衡的移動(dòng)，關(guān)鍵取決于外界條件能否引起正逆反應(yīng)速率不同程度的變化。

在日常教學(xué)中，我們習(xí)慣于教導(dǎo)學(xué)生對課本規(guī)律的套用，但一旦遇到復(fù)雜陌生情景、逆向思考或者反常規(guī)方法，學(xué)生就會(huì)出現(xiàn)束手無策的狀況。我們要追求思維的廣度，但在復(fù)雜的社會(huì)背景下，我們也要重視培養(yǎng)學(xué)生思維的求異性、發(fā)散性與創(chuàng)新性。

2 外界條件變化對物質(zhì)狀態(tài)的影響

例1：鍋爐煙道氣含CO、SO2，可通過如下反應(yīng)回收硫：

2CO（g）+SO2（g） S（l）+2CO2（g）。某溫度下在2 L恒容密閉容器中通入2 mol SO2和一定量CO發(fā)生反應(yīng)，5 min后達(dá)到平衡，生成1 mol CO2。其他條件不變時(shí)SO2的平衡轉(zhuǎn)化率隨反應(yīng)溫度的變化如圖1所示，請解釋原因。

分析：二維坐標(biāo)圖中顯示的是SO2平衡轉(zhuǎn)化率隨反應(yīng)溫度變化之間的關(guān)系。根據(jù)勒夏特列原理可知，溫度升高，平衡朝吸熱反應(yīng)的方向進(jìn)行，因此SO2的平衡轉(zhuǎn)化率隨溫度升高應(yīng)該出現(xiàn)單調(diào)遞增或者單調(diào)遞減的變化。但是圖像卻呈現(xiàn)先增后減的變化，這一化學(xué)平衡中的“意想不到”引發(fā)了學(xué)生強(qiáng)烈的思維沖突。在常規(guī)思路無法解決的情況下，學(xué)生創(chuàng)造性地提出了445℃前后其實(shí)是兩個(gè)不同的反應(yīng)，從而導(dǎo)致了焓變的差異。利用逆向思維深入分析，溫度升高之后液態(tài)硫吸收熱量變成了氣態(tài)硫，引起反應(yīng)從放熱到吸熱的轉(zhuǎn)變。同樣的思路可以應(yīng)用于分析例2中的“意外”。

例2：在容積可變的密閉容器中發(fā)生反應(yīng)：aA（g）+bB（g） cC（g），在一定溫度和不同壓強(qiáng)下達(dá)到平衡時(shí)，分別得到A的物質(zhì)的量濃度如表1，分析其中的異常情況。

分析：隨著壓強(qiáng)的增加，平衡時(shí)物質(zhì)A的濃度并未呈現(xiàn)單一的變化趨勢，與例1出現(xiàn)了類似“反轉(zhuǎn)”的意外。一般情況下，壓強(qiáng)的改變是通過改變?nèi)萜黧w積實(shí)現(xiàn)的。第一個(gè)過程壓強(qiáng)是原來的2.5倍，因此體積變?yōu)樵瓉淼?/2.5，而平衡時(shí)物質(zhì)A的濃度變?yōu)樵瓉淼?.5倍，可分析出該過程平衡并未發(fā)生移動(dòng)，即a+b=c；第二個(gè)過程壓強(qiáng)變?yōu)樵瓉淼?倍，但濃度卻是原來的2.2倍，可得平衡逆向移動(dòng)。利用例1中的思路可分析出某一物質(zhì)的聚集狀態(tài)在壓強(qiáng)變化過程中發(fā)生了變化，根據(jù)平衡移動(dòng)情況可判斷只能是物質(zhì)B從氣態(tài)變?yōu)榱艘簯B(tài)或者固態(tài)。

3 多因素共同作用下的化學(xué)平衡

例3：水煤氣變換反應(yīng)：CO（g）+H2O（g） CO2（g）+H2（g） △H﹤0為研究溫度及不同催化劑對此反應(yīng)的影響，分別在不同溫度下保持其它初始條件不變，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過相同時(shí)間測得CO2氣體濃度，得到如圖趨勢。其中N是曲線的最高點(diǎn)，分析曲線濃度變化的原因以及N點(diǎn)反應(yīng)是否達(dá)到平衡狀態(tài)。

分析：圖2中縱坐標(biāo)顯示的是在不同溫度下經(jīng)過相同時(shí)間CO2的濃度呈現(xiàn)先增后減的趨勢，初步分析似乎又出現(xiàn)了平衡先正向移動(dòng)再逆向移動(dòng)的“意外”。學(xué)生遇到此類題目往往定性思維比較嚴(yán)重，看到平衡的“形”，條件反射地將平衡“移動(dòng)”，缺少針對新情境具體分析的過程。平衡移動(dòng)的前提是反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，對于未達(dá)平衡的階段是不適合用勒夏特列原理的。引導(dǎo)學(xué)生利用動(dòng)態(tài)思維與發(fā)散思維，提出曲線變化的可能原因。學(xué)生們經(jīng)過思考討論總結(jié)了如下可能性：

N點(diǎn)之前CO2濃度隨溫度升高而增加： N點(diǎn)之前反應(yīng)未達(dá)平衡，屬于平衡建立階段，溫度升高反應(yīng)速率加快，相同時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的CO2的量增加，濃度增加，所以前一階段是從“速率”角度分析問題。再結(jié)合催化劑對速率的影響，若該階段催化劑的活性隨溫度升高而增加，那么溫度和催化劑兩個(gè)因素對化學(xué)反應(yīng)速率影響是一致的；若該階段催化劑活性隨溫度升高而降低，那么溫度對反應(yīng)速率的影響大于催化劑對化學(xué)反應(yīng)速率的影響。

N點(diǎn)之后CO2濃度隨溫度升高而減少：①后階段催化劑活性不變或者增加，溫度升高，反應(yīng)速率加快，反應(yīng)不僅達(dá)到平衡而且往逆反應(yīng)方向移動(dòng)；②催化劑活性隨溫度升高而下降，但是溫度對反應(yīng)速率影響大于催化劑對化學(xué)反應(yīng)速率影響，因此反應(yīng)達(dá)到平衡且逆向移動(dòng)；③催化劑活性隨溫度升高而下降（或者失活），且其對化學(xué)反應(yīng)速率的影響大于溫度對化學(xué)反應(yīng)速率的影響，反應(yīng)速率下降，未達(dá)平衡，相同時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生CO2減少；④溫度過高，發(fā)生了其它副反應(yīng)，導(dǎo)致CO2的量減少。

至于最高點(diǎn)N點(diǎn)是否為平衡點(diǎn)，學(xué)生們也提出了自己不同的看法：如果圖像上的每一個(gè)點(diǎn)都是通過實(shí)驗(yàn)測得的，且平衡是發(fā)生移動(dòng)的，那么該點(diǎn)是平衡點(diǎn)；若實(shí)驗(yàn)只是測了幾組相關(guān)的數(shù)據(jù)，通過擬合的方式得到的圖那就不一定是平衡點(diǎn)了?？紤]到實(shí)際情況，后者的可能性更加大。

例4 在例3基礎(chǔ)之上再增加催化劑甲，其它條件均相同，分析最高點(diǎn)M、N是否為平衡點(diǎn)。如圖3所示。

分析：兩條曲線的變量僅為催化劑種類的不同，而催化劑在現(xiàn)階段可認(rèn)為只改變化學(xué)反應(yīng)速率而不影響化學(xué)平衡。因此相同時(shí)間內(nèi)CO2濃度的不同可以歸結(jié)于反應(yīng)速率的差異。分析對比，催化劑甲作用下的反應(yīng)在相同溫度下經(jīng)過相同時(shí)間產(chǎn)生CO2的量均比催化劑乙作用下更高，因此催化劑乙這條曲線對應(yīng)的點(diǎn)都不是平衡狀態(tài)，而N點(diǎn)之后CO2下降的原因可以歸結(jié)于例3中的③④。至于催化劑甲對應(yīng)的曲線存在的可能性更加豐富，既可以參照例3中的分析，也可以參照催化劑乙的分析。

傳統(tǒng)的課堂教學(xué)我們更多的關(guān)注基礎(chǔ)知識(shí)的落實(shí)與基本技能的學(xué)習(xí)，然而單純的知識(shí)灌輸以及應(yīng)試技巧訓(xùn)練已經(jīng)無法培養(yǎng)適應(yīng)當(dāng)前社會(huì)發(fā)展所需要的人才。因此教師在化學(xué)教學(xué)過程中應(yīng)以教材與習(xí)題為載體，通過創(chuàng)設(shè)新穎的情境，讓學(xué)生在不斷討論、探索中碰撞出思想的火花，提升思維品質(zhì)，為學(xué)生長遠(yuǎn)發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1] 唐琴等.核心素養(yǎng)的學(xué)科構(gòu)建[J].江蘇教育研究，2016（11）：24-26.

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[3] 王祖浩.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書：（化學(xué)反應(yīng)原理.第5版）[M].南京：江蘇教育出版社，2014：55.