基于平面坐標系記憶化學反應自發(fā)性的判據規(guī)律

張云書

[摘? ?要]文章從問題的提出、平面坐標系的應用、學生的認知發(fā)展、例題解析四個方面，就如何基于平面坐標系記憶化學反應自發(fā)性的判據規(guī)律進行闡述，為提高抽象難懂的重難點知識的教學效率提供了方法借鑒。

[關鍵詞]平面坐標系; 記憶;化學反應自發(fā)性;判據規(guī)律

[中圖分類號]? ? G633.8? ? ? ? [文獻標識碼]? ? A? ? ? ? [文章編號]? ? 1674-6058（2021）17-0058-03

一、問題的提出

由自由能[ΔG=ΔH-TΔS]可知，恒溫恒壓下，一個化學反應的自發(fā)性可從兩個方面進行判斷：一是由[ΔG]的大小直接判斷。若[ΔG>0]，反應不能自發(fā)進行;若[ΔG]<0，反應能自發(fā)進行。二是由[ΔH]、[ΔS]的數值進行判斷[1]。當[ΔH<0]，[ΔS>0]時，反應能自發(fā)進行;當[ΔH>0]，[ΔS<0]時，反應不能自發(fā)進行;當[ΔH>0]，[ΔS>0]或[ΔH<0]，[ΔS<0]時，反應是否能自發(fā)進行與溫度有關，一般低溫時以焓變的影響為主，高溫時，以熵變的影響為主，而溫度影響的大小要視[ΔH]、[ΔS]的具體數值而定。用[ΔG]的大小作為判據，因規(guī)律簡單，容易記憶。用[ΔH]、[ΔS]的數值作為判據，結合自由能[ΔG]的大小，也還能理解。若依據[ΔH]、[ΔS]的數值變化來判斷，就要考慮溫度的影響，這對學生而言，難度較大。

二、基于平面坐標系歸納化學反應的自發(fā)性

平面坐標系中，橫坐標為[ΔH]的值：原點左邊，[ΔH<0];原點右邊，[ΔH>0];從左到右，[ΔH]的值逐漸增大。縱坐標為[ΔS]的值：原點下方，[ΔS<0];原點上方，[ΔS>0];從下到上，[ΔS]的值逐漸增大。結合坐標系的象限和反應自發(fā)性關系，將平面分為A區(qū)和B區(qū)，A區(qū)——反應自發(fā)進行區(qū)，B區(qū)——反應非自發(fā)進行區(qū)（如圖1）。

依據[ΔH]、[ΔS]、[T]值的變化，又將A、B區(qū)分為A1、A2、A3，B1、B3、B4（下標1、2、3、4分別表示該區(qū)域位于坐標系中的第一、二、三、四象限）等6個區(qū)域。每個區(qū)域分別代表[ΔH]、[ΔS]、T的變化引起[ΔG]的變化的6種類型。（詳見表1）

為使表格內容清晰、簡潔，便于理解，表格中的“+”表示大于0，“-”表示小于0。其中，第一象限中的A1與B1的分界線偏向[ΔS]上方，暗指高溫時，反應的自發(fā)性以熵變的影響為主;第三象限中的A3與B3的分界線偏向[ΔH]的左邊，暗指低溫時，反應的自發(fā)性以焓變的影響為主。

A區(qū)——反應自發(fā)進行區(qū)。包括第一、三象限的局部和第二象限：A1區(qū)，[ΔH]為“+”、[ΔS]為“+”，即值均大于0，暗喻“高”;T為“高溫”，可簡記為“高、高、高溫自發(fā)”。A2區(qū)，[ΔH]為“-”，即值小于0，暗喻“低”;[ΔS]為“+”，即值大于0，暗喻“高”;T為“低、高溫”，即低溫、高溫均能自發(fā)，可簡記為“低、高、低高溫均自發(fā)”。A3區(qū)，[ΔH]為“-”，[ΔS]為“-”，即值均小于0，均暗喻“低”;T為“低溫”，可簡記為“低、低、低溫自發(fā)”。

B區(qū)——反應非自發(fā)進行區(qū)。包括第一、三象限的局部和第四象限：B1區(qū)，[ΔH]為“+”，[ΔS]為“+”，即值均大于0，暗喻“高”;T為“低溫”，可簡記為“高、高、低溫非自發(fā)”。B3區(qū)，[ΔH]為“-”，[ΔS]為“-”，即值均小于0，暗喻“低”;T為“高溫”，簡記為“低、低、高溫非自發(fā)”。B4區(qū)，[ΔH]為“+”，即值大于0，暗喻“高”;[ΔS]為“-”，即值小于0，暗喻“低”;T為“低、高溫”，即低溫、高溫均非自發(fā)，可簡記為“高、低、低高溫均非自發(fā)”。

為便于聯想，按先相鄰和后對稱的順序進行記憶。先相鄰，就是先記相鄰區(qū)域規(guī)律。如A1、A2、A3區(qū)域相鄰，為反應自發(fā)進行區(qū);B1、B3、B4為相鄰區(qū)域，為反應非自發(fā)進行區(qū)。后對稱，就是后記憶坐標系中對稱位置區(qū)域的規(guī)律;A2與B4為第二、四象限，處于對稱位置，無論是高溫還是低溫，A2均為反應自發(fā)進行區(qū)，B4均為反應非自發(fā)進行區(qū);第一、三象限處于對稱位置，既有自發(fā)反應也有非自發(fā)反應。其中，A1、A3為反應自發(fā)進行區(qū)，B1、B3為反應非自發(fā)進行區(qū)。

可將上述結論總結為幾句順口溜：（A區(qū)）高、高、高溫自發(fā)，低、高、低高溫均自發(fā)，低、低、低溫自發(fā);（B區(qū)）高、高、低溫非自發(fā)，低、低、高溫非自發(fā)，高、低、低高溫均非自發(fā)。

三、符合學生的認知發(fā)展

1.有助于學生進行聯想

一是[ΔH]、[ΔS]正、負值的聯想。平面坐標系中，各象限以坐標原點為分界線，可據此聯想橫、縱坐標代表數值的大小。橫坐標：坐標原點左邊為負值，右邊為正值;縱坐標：原點下方為負值，上方為正值。可見，基于平面坐標系，有助于學生記住[ΔH]、[ΔS]的正、負值所在位置。

二是自發(fā)性與非自發(fā)性類型的聯想。坐標系中，將一個平面分為兩個區(qū)，即A區(qū)和B區(qū)，且A區(qū)的3個小區(qū)域（A1、A2、A3）“相鄰”，它們表示的是反應自發(fā)進行區(qū);B區(qū)的3個小區(qū)域（B1、B3、B4）也“相鄰”，它們表示的是反應非自發(fā)進行區(qū)，如此就讓6種雜亂無章的情況變得有規(guī)律可循：只要是自發(fā)反應，必會在A區(qū)，即坐標系中的第一、二、三象限的“相鄰”位置;只要是非自發(fā)反應，必會在B區(qū)，即坐標系中的第一、三、四象限的“相鄰”位置。

三是“對稱位置”對應規(guī)律的聯想。按照“對稱位置”進行分析，不難發(fā)現相互間具有一定的聯系，因此更便于聯想和記憶。第一象限的A1區(qū)，規(guī)律是“高、高、高溫自發(fā)”，第三象限的A3區(qū)，規(guī)律是“低、低、低溫自發(fā)”，“高”與“低”互為反義詞，除表示[ΔH]、[ΔS]的“+”與“-”外，同時還暗含溫度“高”與“低”的對稱，且同在“自發(fā)”范疇。第二象限的A2區(qū)，對應的規(guī)律是“低、高溫均自發(fā)”，第四象限的B4區(qū)，對應的規(guī)律是“低、高溫均非自發(fā)”，“自發(fā)”與“非自發(fā)”對立統一。

四是反應自發(fā)性、[Δ]H、[Δ]S與溫度之間的關系的聯想。[ΔH>0]，[ΔS>0]，在第一象限，分界線偏向縱坐標上方，暗含溫度高時，以熵變的影響為主;[ΔH<0]，[ΔS<0]，在第三象限，分界線偏向橫坐標左邊，暗含溫度低時，以焓變的影響為主。

2.有助于培養(yǎng)學生的思維能力

一是訓練學生的收斂思維。收斂思維[2]，又稱聚合思維、求同思維、輻集思維或集中思維。在解決問題的過程中，利用好學生已有知識和經驗，把眾多信息和解題可能性引導到條理化的邏輯序列中，有助于得出合乎邏輯規(guī)范的結論。一個反應，是自發(fā)進行，還是非自發(fā)進行，與自由能的變化有關;是高溫時自發(fā)進行，還是低溫時自發(fā)進行，或是不能自發(fā)進行，與焓變、熵變有關;[ΔH]、[ΔS]的具體數值又會受溫度的影響。將符號[ΔG]、[T]、[ΔH]、[ΔS]及其取值，乃至反應的自發(fā)性統一用一個坐標系來概括，使其系統化、條理化，這本身就是收斂思維的一種訓練方式。

二是訓練學生的發(fā)散思維。發(fā)散思維[3]，又稱輻射思維、放射思維、擴散思維或求異思維，大腦在思維時呈現擴散狀態(tài)的思維模式，表現了思維視野的廣闊性，呈現出思維多維的發(fā)散狀。學生看到平面坐標系中的橫坐標、縱坐標，必會聯想到其代表的[ΔH]、[ΔS]的數值、“正”“負”、溫度T的變化規(guī)律等;看到平面內的A、B區(qū)域，必會聯想到反應的自發(fā)性與非自發(fā)性，進而聯想到各自對應的3種類型;由反應自發(fā)性、非自發(fā)性的順口溜，由一個字、一個概念，由少到多，由簡到繁，逐一發(fā)散，逐步展開，可發(fā)散出更多的知識內容。這是發(fā)散思維的一種訓練方式。

3.符合學生的認知水平

對于平面坐標系，學生在初中就已學過。到了高二，學生對坐標系中的橫、縱坐標的含義，從左到右、從下到上數值的變化規(guī)律，甚至第一、二、三、四象限的真實意義都比較熟悉。引入平面坐標系，幫助學生記憶化學反應進行方向的自發(fā)性判據則水到渠成，學生容易理解，樂于接受，積極主動地參與學習。加之，圖像簡單明了，使人印象深刻，有助于延長學生對知識的記憶時間。

四、例題解析

【例1】（2017·浙江，題干略有改動，下同）

已知：2Al2O3（s）=4Al（g）+3O2（g）? ? [Δ]H1=3351 kJ·mol-1

2C（s）+O2（g）=2CO（g）? ? ? ? [Δ]H2=-221 kJ·mol-1

2Al（g）+N2（g）=2AlN（s）? ? ?[Δ]H3=-318 kJ·mol-1

碳熱還原Al2O3合成AlN的總熱化學方程式是? ? ? ;該反應自發(fā)進行的條件是。

解析：由蓋斯定律，得碳熱還原Al2O3合成AlN的總熱化學方程式是Al2O3（s）+3C（s）+N2（g）=2AlN（s）+3CO（g）? [ΔH]=1026 kJ·mol-1。

關于反應自發(fā)進行的條件，第一步，討論[ΔH]、[Δ]S的大小：該反應是一個吸熱反應，[ΔH>0];是一個氣體系數之和增大的反應，[ΔS>0]。第二步，判斷所在象限：在上述平面坐標系中，[ΔH>0]，[ΔS>0]，位于第一象限。第三步，判斷所在區(qū)域：因題干要求“自發(fā)”進行，故在A1區(qū)。由A1區(qū)的特征“高、高、高溫自發(fā)”可知該反應自發(fā)進行的條件是高溫。

【例2】判斷下列說法是否正確。

（1）（2018·江蘇）反應4Fe（s）+3O2（g）=2Fe2O3（s）常溫下可自發(fā)進行，該反應為吸熱反應。

（2）（2015·天津）鈉與水反應是熵增的放熱反應，該反應能自發(fā)進行。

解析：（1）第一步，討論[Δ]H、[Δ]S的大小：因反應屬于緩慢氧化反應，為放熱反應，[ΔH<0];同時也是一個氣體系數之和減小的反應，[ΔS<0]。第二步，判斷所在象限：[ΔH<0]，[ΔS<0]，位于坐標系中的第三象限。第三步，判斷所在區(qū)域：因題干的要求是“自發(fā)”，因此位于A3區(qū)，由“低、低、低溫自發(fā)”可知，常溫（可視為“低溫”）下反應可自發(fā)進行。但題干的敘述是“吸熱反應”，與“放熱反應”不吻合，說法錯誤。

（2）第一步，討論[Δ]H、[Δ]S的大小：鈉與水的反應2Na+2H2O=2NaOH+H2↑為放熱反應，[ΔH<0];是一個氣體系數之和增大的反應，[ΔS>0]。第二步，判斷所在象限：[ΔH<0]、[ΔS>0]位于坐標系中的第二象限。第三步，判斷所在區(qū)域。第二象限即A2區(qū)，由“低、高、低高溫均自發(fā)”可知，低溫、高溫條件下反應均可自發(fā)進行，說法正確。

蘇霍姆林斯基說過：“教師的課要上得有趣，要能激發(fā)學生的情趣，從而產生良好的學習情感。”用順口溜或口訣歸納知識就是提高學生學習興趣的一種方式。因此，在平面坐標系歸納規(guī)律的基礎上，將結論濃縮為順口溜，并給出具體的解題步驟，既能將抽象難懂的知識形象直觀化，便于學生理解和應用，又能增強他們的學習自信心，更能激發(fā)他們的求知欲。

[? ?參? ?考? ?文? ?獻? ?]

[1]? 宋心琦，何少華.普通高中課程標準實驗教科書·化學（選修4）[M].北京：人民教育出版社，2007.

（責任編輯 羅 艷）