化學平衡原理在高三元素化合物復習中的應用

◇ 福建 柯麗明

(作者單位:福建省南安市僑光中學)

基于“一核四層四翼”的高考評價體系命題要求,近幾年高考化學試題不再考查知識的再現,而是注重知識的應用,體現學科的價值.元素及其化合物的性質是中學化學學科的主干知識,承載著考查化學基本概念、基本理論、化學實驗、化學計算等的功能.在高考化學試題中,從選擇題到主觀題,元素及其化合物的影子無處不在,但均作為其他考點的載體,并非獨立考查.要解答好這類試題,就必須靈活運用元素化合物知識與化學反應原理知識.因此高三復習時,教師要滲透化學反應原理,有助于元素化合物知識與化學反應原理知識間的融會貫通、相互印證,從而提高復習效率.

1 高三復習中常遇到的關于元素化合物知識的問題

1.1 學生存在的問題案例

之所以會出現這樣的狀況,是因為學生只是機械地記憶知識,把元素化合物知識與化學反應原理割裂開來,沒有厘清知識的內在因素與外在表現之間的關系.

1.2 教學過程中遇到的反規律案例

H2S＋CuSO4＝CuS↓＋H2SO4和SiO2＋2C＝Si＋2CO↑這兩個反應顯示出“弱酸制強酸”和“弱還原劑制強還原劑”.

如果教師把這些反應簡單歸為特殊反應,那么就會把書“越教越厚”,而學生對化學反應的認識將得不到更深層次的發展.因此,教師要挖掘“規律”與“反規律”背后的化學原理,用化學原理來解釋這些“反規律”的化學反應.

2 化學平衡原理在元素化合物復習中的應用

中學涉及的平衡包括:化學平衡、電離平衡、水解平衡、沉淀溶解平衡.這四大平衡在解釋物質的性質、用途,除雜、氣體收集及物質制備等方面有著諸多應用.

2.1 化學平衡原理的定性應用

1)物質性質與化學平衡

2)物質用途與化學平衡

工業上用NH4Cl溶液除鐵銹,是由于NH4Cl溶液中存在水解平衡使溶液呈酸性;消防上用NaHCO3溶液和Al2(SO4)3溶液制作泡沫滅火器,是由于Al3＋和存在相互促進的水解平衡,即OH－、Al3＋＋3H2O?Al(OH)3＋3H＋,從而產生大量的CO2氣體.

3)除雜及氣體收集與化學平衡

除去Cl2中的HCl和收集Cl2,可選用飽和NaCl溶液,是由于存在氣體溶解平衡:Cl2(g)?Cl2(aq)及化學平衡:Cl2(aq)＋H2O(l)?H＋(aq)＋Cl－(aq)＋HClO(aq);工業上除去溶液中混有的金屬離子,經常通過調節溶液的pH 完成,這是運用金屬離子發生水解使平衡移動生成氫氧化物沉淀的原理.

4)物質制備與化學平衡

由 MgCl2·6H2O 晶體制備無水 MgCl2時必須在HCl氣流中脫水,是由于存在水解平衡:MgCl2＋2H2O?Mg(OH)2＋2HCl,因此可以通過增大HCl氣體濃度抑制Mg2＋水解;NH3的制備,無論是選用銨鹽與堿共熱,還是將濃氨水滴入生石灰或NaOH 固體或堿石灰中,都是應用平衡NH3＋H2O?NH3·不斷向左移動的原理.

在一輪復習中,教師可引導學生運用化學平衡原理解釋相關知識、設計實驗方案、構建知識網絡,從而大大提高復習效率.

【案例1】“鋁鹽及氫氧化物”復習.

任務1:Al(OH)3是一種兩性氫氧化物,寫出Al(OH)3的電離方程式.

任務2:依據Al(OH)3的電離方程式和平衡移動原理,設計3種制備Al(OH)3的實驗方案,并寫出反應的離子方程式.判斷哪一種方案原料的利用率最高?

任務3:依據Al(OH)3的電離方程式和平衡移動原理,構建的轉化網.

任務4:明礬用于凈水的原理是什么? 研究表明,明礬凈水時加入適當的助凝劑能增強凈水效果,以下物質適合作助凝劑的是( ).

A.活性炭 B.Cl2

C.NaHCO3D.FeCl3

本案例運用平衡移動原理復習了“鋁鹽及氫氧化物”的重要性質,構建出“鋁三角”轉化網,并實現運用平衡移動原理解決元素化合物的實際問題,大大提高了復習的實效性.

2.2 化學平衡原理的定量應用

《普通高中化學課程標準(2017年版)》明確提出“體會定量研究對化學科學發展的重要作用”的要求.定量思維是一種重要的化學學科思維,可以用數學知識來解決化學問題.當用定性思維研究化學問題遇到瓶頸時,我們可以考慮從定量思維的角度來研究.《普通高中化學課程標準(2017年版)》在選擇性必修模塊1中也提出“了解濃度熵和化學平衡常數的相對大小與反應進行方向之間的聯系”的要求.化學平衡常數K 不僅可以用來衡量反應進行的限度,也可用于判斷化學反應的方向.一般把K ＜10－5和K ＞105作為很難反應和完全反應的判據.

復分解反應中存在著一些“強制弱”規律,如溶解性大的物質制取溶解性小的物質,較強酸制較弱酸,較強堿制較弱堿等.這些規律,事實上是上述化學原理的體現.例如:

違反規律的“弱制強”的反應,如溶解性小的制溶解性大的、弱酸制強酸的反應,同樣遵循上述化學原理.

當10－5＜K＜105時可通過增大濃度實現轉化,實際操作是使用飽和Na2CO3溶液多次處理BaSO4,使其轉化為BaCO3.

【案例2】(2019年全國卷Ⅲ,節選)高純硫酸錳作為合成鎳鈷錳三元正極材料的原料,工業上可由天然二氧化錳粉與硫化錳礦(還含 Fe、Al、Mg、Zn、Ni、Si等元素)制備,工藝如圖1所示.

圖1

寫出“沉錳”的離子方程式:_______.

通過定量計算來判斷化學反應方向,可以將學生的思維由定性思維向更高階思維——定量思維發展,提升了對化學反應的認知水平.

3 將化學平衡原理應用于元素化合物復習中的實踐效果

3.1 利于構建知識網絡

網絡化、結構化的知識是形成能力的前提.元素化合物這部分知識點多而雜,如果孤立地復習這部分知識,學生會“因多生亂”,易遺忘.將化學平衡原理應用于元素化合物復習,運用原理解釋事實、分析原因,可將零散的知識串聯起來,有利于構建知識網絡,提高知識的綜合應用能力.

3.2 提高解決問題能力

高考試題注重將學科內容與國家經濟、社會發展、科學進步、生產生活等聯系起來,通過設置新穎的問題情境,考查學生靈活運用所學知識解決實際問題的能力.面對陌生情境,學生須進行“去情境化,提取化學問題”,再運用化學基礎知識、化學基本理論和化學學科思維來解決真實問題.在元素化合物復習中,教師設置真實問題情境,運用化學原理分析問題,再利用學科知識解決問題,提高學生解決問題的能力.