變化觀念與平衡思想中“博弈”意識的樹立

李旭林

(山西省臨汾第一中學校 041000)

發揮化學課程的整體育人功能，就必須立足于學生適應現代生活和未來發展的需要.而博弈論目前已經在經濟學、國際關系學、政治學、軍事戰略、生物學等很多學科廣泛地應用.所以“變化觀念與平衡思想”核心素養的構成要素中，不僅要有物質變化與能量變化、方向與限度、速率與平衡、守恒與定量關系的表征，還應該逐步滲透“博弈與平衡”思維意識.

化學平衡狀態存在于可逆反應，而可逆反應是在一定條件下，正反應和逆反應同時發生的反應.既然正、逆反應同時發生，它們之間就會存在相互的“博弈”，博弈的結果就是可逆反應在達到平衡狀態時存在一定的限度.本文就應用“博弈與平衡”思維意識解決酸堿反應、氧還反應以及電化學相關問題進行分析，闡述如下.

一、酸堿反應中的“博弈與平衡”意識

酸對應酸根電離方程式電離常數H2CO3HCO- 3H2CO3H+ + HCO-3Ka1HCO-3CO2-3HCO-3H++CO32-Ka2

因為較強的酸易電離出H+，即其對應的酸根難以與H+結合；同理較弱的酸難電離出H+，即其對應的酸根就易與H+結合.所以，當較強的酸遇到較弱酸對應的鹽溶液時，就存在“強酸與弱酸根反應”與“弱酸與強酸根反應”之間的博弈，其結果就是以“弱酸根與強酸電離出的H+結合生成弱酸”為主.可以表征為：強酸 + 弱酸鹽(弱酸根)= 弱酸 + 強酸鹽(強酸根).

例1(2015年課標Ⅰ卷26題節選)設計實驗證明：草酸的酸性比碳酸的強____.

例2(2015年福建卷23題節選)25℃，兩種酸的電離平衡常數如下表:

Ka1Ka2H2SO31.3×10-26.3×10-8H2CO34.2×10-75.6×10-11

H2SO3溶液和NaHCO3溶液反應的主要離子方程式為____.

二、原電池原理中的“博弈與平衡”意識

大多數學生在初學原電池原理時，總是想不通化學電源的“電動勢”從何而來.不需引入“雙電層”理論、電極電勢、能斯特方程等復雜知識，利用“博弈與平衡”意識來分析，便可以輕松理解.例如，對人教版選修4中鋅銅原電池(丹尼爾電池)裝置(如圖1所示)分析如下.

2.在未形成閉合回路時，上述兩平衡互不干涉.但是，用導線連接鋅棒和銅棒，并用鹽橋連接兩個燒杯中的溶液形成閉合回路后，兩個平衡就會開始“博弈”.由于Zn(s)失電子能力(還原性)比Cu(s)強，而Cu2+得電子能力(氧化性)比Zn2+強，而且導線的電阻幾乎為0，所以Zn失電子通過導線向Cu移動，Cu2+得電子生成Cu.

兩個平衡的博弈，就是產生“電動勢”的原因.

例3(2019年廣東七校高考沖刺11題)因存在濃度差而產生電動勢的電池稱為濃差電池.利用如圖所示裝置進行實驗，開始先閉合K2，斷開KL，一段時間后，再斷開K2，閉合KL，形成濃差電池，電流計指針偏轉(Ag+濃度越大，氧化性越強).下列說法不正確的是( ).

A. 閉合K2，斷開KL一段時間后，X電極質量增加

B. 閉合K2，斷開KL一段時間后，右池c(AgNO3)增大

C. 斷開K2，閉合K1,X電極發生氧化反應

三、氧化還原反應中的“博弈與平衡”意識

與酸堿反應類似，氧還反應中同樣存在“強強成弱”的規律，也就是在一個氧還反應中氧化性：氧化劑>氧化產物，還原性：還原劑>還原產物.這條規律，在解題時經常用到，但一部分同學只是一般性套用規律，平時備考復習過程中沒有深刻體會其中的“博弈與平衡”的思維方式，所以在遇到2019年全國I卷28題，就會“深入山中”，不知所云.

(1)Shibata曾做過下列實驗：①使純H2緩慢地通過處于721 ℃下的過量氧化鈷CoO(s)，氧化鈷部分被還原為金屬鈷(Co)，平衡后氣體中H2的物質的量分數為0.0250.②在同一溫度下用CO還原CoO(s)，平衡后氣體中CO的物質的量分數為0.0192.

根據上述實驗結果判斷，還原CoO(s)為Co(s)的傾向是CO____H2(填“大于”或“小于”).

(2)721℃時，在密閉容器中將等物質的量的CO(g)和H2O(g)混合，采用適當的催化劑進行反應，則平衡時體系中H2的物質的量分數為____(填標號).

A．<0.25 B．0.25 C．0.25～0.50

D．0.50 E．>0.50

(3)Shoichi研究了467℃、489℃時水煤氣變換中CO和H2分壓隨時間變化關系(如右圖所示)，催化劑為氧化鐵，實驗初始時體系中的p(H2O)和p(CO)相等、p(CO2)和p(H2)相等.

467℃時p(H2)和p(CO)隨時間變化關系的曲線分別是____、____.489 ℃時p(H2)和p(CO)隨時間變化關系的曲線分別是____、____.

起始/mol 1 1 0 0

轉化/molxxxx

平衡/mol 1-x1-xxx

(3)該題綜合性較強，須同時從變化觀念與平衡思想的三個角度考慮得出結論：

①定量轉化：30～90 min的變化量b增0.34 kPa，c減0.34 kPa；a減0.28 kPa，d增0.28 kPa.可知，b、c為同一溫度下兩物質的變化曲線，a、d為另一溫度下兩物質的變化曲線.

②“博弈”意識：721℃下，CO的還原性強于H2，平衡時CO分壓小于H2分壓.且467℃、489℃均小于721℃，該反應為放熱反應，溫度降低平衡正向移動，CO的分壓會更小，H2分壓會更大.所以，A、B為H2的變化曲線；c、d為CO的變化曲線.

③勒夏特列原理：該反應為放熱反應，溫度降低平衡正向移動，467℃比489℃時H2的平衡分壓大，CO的平衡分壓小.所以，467℃時p(H2)和p(CO)隨時間變化關系的曲線分別是b、c.489 ℃時p(H2)和p(CO)隨時間變化關系的曲線分別是a、d.