基于化學(xué)三重表征的《溶液中的化學(xué)平衡》復(fù)習(xí)設(shè)計(jì)

沈旭東

[摘 要] 運(yùn)用“宏觀的現(xiàn)象、微觀的分析、符號(hào)的表達(dá)”化學(xué)三重表征觀念，分析溶液中三價(jià)鐵離子與硫氰根離子發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、分析六種硫氰合鐵微粒的含量、分析影響此反應(yīng)進(jìn)行程度的外界條件，在一課時(shí)內(nèi)綜合復(fù)習(xí)了可逆反應(yīng)、c-t圖、化學(xué)平衡狀態(tài)、化學(xué)平衡常數(shù)、轉(zhuǎn)化率、化學(xué)平衡移動(dòng)、焓變與熵變等多個(gè)概念。

[關(guān)鍵詞] 化學(xué)三重表征 化學(xué)平衡 平衡常數(shù)

[中圖分類號(hào)] G633.8 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1674 6058（2015）20 0080

一、任務(wù)——一堂要落實(shí)八個(gè)知識(shí)點(diǎn)的化學(xué)原理課

筆者某天接到一個(gè)命題式的展示課任務(wù)。課題：溶液中的化學(xué)平衡；內(nèi)容要求：必須涉及可逆反應(yīng)概念、c-t圖、化學(xué)平衡狀態(tài)、化學(xué)平衡常數(shù)、轉(zhuǎn)化率、化學(xué)平衡移動(dòng)、焓變與熵變。

二、設(shè)計(jì)思想——“宏觀的現(xiàn)象、微觀的分析、符號(hào)的表達(dá)”

要使此命題下的課堂教學(xué)有新意，若以知識(shí)點(diǎn)的串聯(lián)作為教學(xué)組織的主線或程序而落實(shí)任務(wù)中的八個(gè)知識(shí)點(diǎn)，會(huì)顯得死板、生硬。于是筆者考慮以化學(xué)學(xué)科方法或能力為中心展開各知識(shí)點(diǎn)，或以化學(xué)學(xué)科觀念貫穿各知識(shí)點(diǎn)。

“化學(xué)學(xué)習(xí)有三大領(lǐng)域：可觀察現(xiàn)象的宏觀世界；分子、原子和亞原子微粒構(gòu)成的微觀世界；化學(xué)式、方程式和符號(hào)等構(gòu)成的符號(hào)與數(shù)學(xué)世界”，[1]此謂之“化學(xué)三重表征”。在教學(xué)過程中，培養(yǎng)學(xué)生在觀察或檢測(cè)到物質(zhì)變化的宏觀現(xiàn)象或數(shù)據(jù)變化時(shí)，能自主思考這是否是組成微粒之間在一定條件下的相互作用結(jié)果、又是否體現(xiàn)或隱含著某種規(guī)律或符合某種反應(yīng)原理，并嘗試著用化學(xué)符號(hào)或化學(xué)規(guī)律進(jìn)行解釋或表達(dá)，然后再用結(jié)論去實(shí)驗(yàn)、去印證，即“宏觀的現(xiàn)象、微觀的分析、符號(hào)的表達(dá)”。在化學(xué)學(xué)習(xí)過程中，引導(dǎo)學(xué)生有機(jī)整合化學(xué)三重表征，有利于學(xué)生化學(xué)學(xué)科觀念的養(yǎng)成。

針對(duì)此課時(shí)在設(shè)計(jì)時(shí)可用一個(gè)具體的溶液中的可逆反應(yīng)為實(shí)例，綜合化學(xué)平衡的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行研究，進(jìn)而落實(shí)任務(wù)中的八個(gè)知識(shí)點(diǎn)，并在具體的研究過程中突出“宏觀的現(xiàn)象、微觀的分析（實(shí)驗(yàn)實(shí)證）、符號(hào)的表達(dá)（數(shù)據(jù)規(guī)律）”三重表征的化學(xué)學(xué)科觀念，以完成教學(xué)任務(wù)。

三、教學(xué)設(shè)計(jì)

溶液中的化學(xué)平衡，蘇教版教材中主要有以下幾個(gè)可逆反應(yīng)：Fe3+與SCN-、Fe3+與I-、Co2+與Cl-、CrO2-4與H+。從學(xué)生對(duì)上述四個(gè)反應(yīng)的熟悉程度、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的明顯程度，以及對(duì)任務(wù)所規(guī)定的八個(gè)知識(shí)點(diǎn)能進(jìn)行簡單而有效綜合的可能性，本課時(shí)選擇Fe3+與SCN-的反應(yīng)作為研究實(shí)例。

1.教學(xué)目標(biāo)——用學(xué)科方法貫穿基本知識(shí)，養(yǎng)成學(xué)科觀念

（1）設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)對(duì)Fe3+與SCN-的反應(yīng)方程式在不同模塊教科書中用“=”和“ ”的兩種表達(dá)方式進(jìn)行科學(xué)性評(píng)價(jià)，進(jìn)一步理解可逆反應(yīng)的定義和特征、化學(xué)平衡狀態(tài)的定義和特征，學(xué)會(huì)描繪c-t曲線圖并理解其表達(dá)的意義；

（2）交流討論硫氰化鐵絡(luò)合物的不同形式，并通過查閱文獻(xiàn)資料獲取信息進(jìn)行解釋，進(jìn)一步理解化學(xué)平衡常數(shù)、轉(zhuǎn)化率計(jì)算所表達(dá)的意義，并初步學(xué)會(huì)從數(shù)據(jù)表獲取信息、歸納規(guī)律；

（3）通過改變外界條件對(duì)硫氰化鐵溶液顏色變化的小組實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步理解化學(xué)平衡移動(dòng)原理，并嘗試從焓變、熵變及自發(fā)反應(yīng)等角度分析化學(xué)平衡移動(dòng)原理，體會(huì)化學(xué)反應(yīng)原理對(duì)控制和設(shè)計(jì)化學(xué)反應(yīng)的意義。

2.教學(xué)過程——從對(duì)文獻(xiàn)之疑的探究到對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象之疑的憤悱

【引入】

（1）視頻：原北京大學(xué)校長、化學(xué)家周其鳳院士作詞的歌曲“化學(xué)是什么”；

（2）引言1：化學(xué)是什么，周院士在歌詞中說得很廣博和形而上。今天我們一起研究“溶液中的化學(xué)平衡”，希望通過本堂課，我們能更具體地了解“化學(xué)是什么”；

（3）PPT1：標(biāo)題“溶液中的化學(xué)平衡”——現(xiàn)象背后理論求證；

（4）引言2：溶液中的化學(xué)反應(yīng)往往具有一定的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，而化學(xué)反應(yīng)就是微粒間的重新組合，因此我們需從微粒及其相互作用的角度思考為什么具有這些現(xiàn)象，我們又該如何用化學(xué)語言科學(xué)而完整地表達(dá)這些化學(xué)現(xiàn)象，譬如：溶液中三價(jià)鐵離子與硫氰酸根離子反應(yīng)生成血紅色溶液；

（5）演示實(shí)驗(yàn)1：①展示0.1mol/L三氯化鐵溶液（黃色溶液）與0.001mol/L三氯化鐵溶液（幾乎無色）；②設(shè)問：如何檢驗(yàn)這近乎無色的0.001mol/L三氯化鐵溶液中是否真的含有三價(jià)鐵離子？③取0.001mol/LFeCl3溶液約4mL倒入試管，然后滴入同濃度KSCN溶液約5滴，并提醒學(xué)生注意藥品用量；

（6）練習(xí)1：寫出此反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與離子方程式。

【 知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)1：可逆反應(yīng)與化學(xué)平衡狀態(tài)】

（1）投影展示：①課堂巡察中選取學(xué)生分別用“=”和“ ”表示的三價(jià)鐵離子與硫氰根離子反應(yīng)的兩種離子方程式；②設(shè)問：哪個(gè)正確？

（2）PPT2并說明：主要內(nèi)容為蘇教版必修1（2012年印刷）P75“信息提示”欄，關(guān)于檢驗(yàn)Fe3+的離子方程式用“Fe3++3SCN-=Fe（SCN）3”表達(dá)；而蘇教版化學(xué)反應(yīng)原理（2012年印刷）P60“課后練習(xí)”第6題，則用“Fe3++SCN- [Fe（SCN）]2+”表達(dá)。兩者有等號(hào)或可逆符號(hào)之別。

（3）設(shè)問：用“=”和“ ”表達(dá)的反應(yīng)式意義上有何不同？能否用類似函數(shù)圖像來表達(dá)？

（4）板演：（課堂巡察中選取畫出正確或類似c-t圖的學(xué)生）

（5）板書并講解：可逆反應(yīng)定義與特點(diǎn)；c（SCN-）的不可逆反應(yīng)與可逆反應(yīng)的c-t圖表達(dá)。

（6）PPT3：可逆反應(yīng)定義與特點(diǎn)：在同一條件下既可以向正反應(yīng)方向進(jìn)行，同時(shí)又可以向逆反應(yīng)方向進(jìn)行，反應(yīng)物不能完全轉(zhuǎn)化為生成物。方程式用“ ”表示，可逆反應(yīng)體系中，反應(yīng)物與生成物共存；化學(xué)平衡狀態(tài)定義（略）。

（7）設(shè)問：能否用實(shí)驗(yàn)證明哪種表達(dá)更符合反應(yīng)事實(shí)？

（8）小組討論：“關(guān)鍵在于是否是可逆反應(yīng)”“根據(jù)兩種反應(yīng)物的用量，若能驗(yàn)證反應(yīng)后溶液中還存在SCN-則可證明此反應(yīng)為可逆反應(yīng)”。

（9）演示實(shí)驗(yàn)2：把演示實(shí)驗(yàn)1所得紅色溶液分裝進(jìn)2支試管，在一支試管中再滴入0.1mol/LFeCl3溶液，可觀察到紅色明顯變深。

（10）結(jié)論：反應(yīng)后溶液中存在SCN-，反應(yīng)為可逆反應(yīng)，則“Fe3++SCN- [Fe（SCN）]2+”表示形式更符合反應(yīng)事實(shí)。

（11）設(shè)問：果真如此嗎？

（12）PPT4：主要內(nèi)容為研究硫氰化鐵溶液組成的文獻(xiàn)資料：鐵離子的六種硫氰絡(luò)合物：Fe（SCN）2+、Fe（SCN）2+、Fe（SCN）3、Fe（SCN）-4、Fe（SCN）2-5、Fe（SCN）3-6，水溶液均為血紅色，以及生成每種絡(luò)合物的對(duì)應(yīng)化學(xué)反應(yīng)方程式。

（13）設(shè)問：哪種絡(luò)合物含量最高，哪個(gè)反應(yīng)式表達(dá)的是主要反應(yīng)呢？

【 知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)2：化學(xué)平衡常數(shù)與轉(zhuǎn)化率】

（1）設(shè)問：要分析三價(jià)鐵離子的六種硫氰根絡(luò)合物哪種含量最高，就要分析各個(gè)可逆反應(yīng)進(jìn)行的程度，那用什么量可以表達(dá)可逆反應(yīng)進(jìn)行程度的大小？

（2）PPT5并講解：化學(xué)平衡常數(shù)表達(dá)式及意義；轉(zhuǎn)化率表達(dá)式及意義。

（3）PPT6：Fe3+/SCN-平衡體系中各級(jí)反應(yīng)的平衡常數(shù)數(shù)據(jù)表。[2]

（4）結(jié)論并講解：根據(jù)六種鐵離子的硫氰絡(luò)合物的生成平衡常數(shù)大小，可以認(rèn)為的確是以第一步反應(yīng)“Fe3++SCN- [Fe（SCN）]2+”為主。

（5）練習(xí)2：通常情況下，將0.002mol/LKSCN溶液與0.002mol/LFeCl3溶液等體積混合，充分反應(yīng)后達(dá)到平衡，測(cè)得溶液中一些離子的濃度約為：c（Fe3+）=8.500×10-4mol/L、c[Fe（SCN）2+]=1.411×10-4mol/L，K1=200，求c（SCN-）、Fe3+的轉(zhuǎn)化率α。

（6）評(píng)析：（點(diǎn)評(píng)學(xué)生練習(xí)2的解題過程，突出K、α的表達(dá)式及意義）。

（7）設(shè)問：在演示實(shí)驗(yàn)1中滴入更高濃度的三氯化鐵溶液使溶液紅色變深，你能說明原因嗎？根據(jù)相關(guān)原理，如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)使溶液紅色變深或變淺呢？

【 知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)3：影響化學(xué)平衡移動(dòng)的因素和勒夏特列原理】

（1）學(xué)生實(shí)驗(yàn)：（給學(xué)生提供以下藥品，讓學(xué)生根據(jù)要求設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)）0.002mol/LKSCN溶液、0.002mol/LFeCl3、0.1mol/LKSCN溶液、0.1mol/LFeCl3、0.01mol/LNaOH、鐵粉、蒸餾水。

（2）練習(xí)3（在實(shí)驗(yàn)中完成）：把0.002mol/LKSCN溶液與0.002mol/LFeCl3溶液等體積混合充分反應(yīng)后的溶液分為a、b兩份，a中逐滴加入稀NaOH溶液，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象為_______，其原因?yàn)開______；b中加入一些還原鐵粉，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象為_______，其原因?yàn)開______（用必要的文字與離子方程式說明）。

（3）小結(jié)：當(dāng)其他條件不變，直接或間接改變反應(yīng)物或生成物濃度使平衡發(fā)生移動(dòng)的情況；回顧勒夏特列原理。

（4）設(shè)問：利用勒夏特列原理，能否設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究“Fe3++SCN- [Fe（SCN）]2+”的ΔH？

（5）提問后演示實(shí)驗(yàn)3：（播放預(yù)先拍攝的實(shí)驗(yàn)室視頻）0.002mol/LKSCN溶液與0.002mol/LFeCl3溶液各3mL混合，等體積分裝3支試管，一支浸入冰水，一支浸入沸水，另一支作顏色比對(duì)；十分鐘左右可明顯觀察到浸入冰水的一支紅色明顯變深，而浸入沸水的一支紅色變淺。

（6）練習(xí)4：把0.002mol/LKSCN溶液與0.002mol/LFeCl3溶液等體積混合充分反應(yīng)后的溶液，浸入冰水中，發(fā)現(xiàn)其溶液顏色變深，說明此反應(yīng)的ΔH_______0，升溫后其K1_______（增大、不變、減?。?/p>

（7）講解：反應(yīng)熱與焓變?chǔ)的概念及區(qū)別；并回顧體系混亂度與熵變?chǔ)概念。

（8）設(shè)問：“Fe3++SCN- [Fe（SCN）]2+”中ΔS大于零還是小于零？

（9）小組討論：學(xué)生大多會(huì)得出“從反應(yīng)形式看是兩種離子絡(luò)合成一種離子，混亂度降低，即為熵減，小于零”的結(jié)論。

（10）講解：三價(jià)鐵離子的水配合離子形式及水溶液中的水合離子情況，主要突出熵的實(shí)質(zhì)及分析問題時(shí)應(yīng)注重聯(lián)系和注意整體。

（11）PPT7：影響化學(xué)平衡移動(dòng)的外界因素與勒夏特列原理。

（12）講述：勒夏特列原理及其貢獻(xiàn)。

【課堂小結(jié)】

（1）小結(jié)1（PPT8）：課堂回顧：可逆反應(yīng)、c-t圖；化學(xué)平衡狀態(tài)；化學(xué)平衡常數(shù)；轉(zhuǎn)化率；化學(xué)平衡移動(dòng)；焓變與熵變。

（2）闡述學(xué)習(xí)化學(xué)原理的意義：能更深刻地認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)，從而有能力改造與創(chuàng)造化學(xué)反應(yīng)，更好地為社會(huì)發(fā)展服務(wù)。

（3）小結(jié)2：（呼應(yīng)“化學(xué)是什么”）對(duì)感知到的宏觀化學(xué)現(xiàn)象，從微觀的角度用化學(xué)原理進(jìn)行認(rèn)識(shí)，并用化學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行實(shí)證，再用數(shù)據(jù)或圖形探究化學(xué)變化的規(guī)律，然后用化學(xué)符號(hào)進(jìn)行定性及定量的表達(dá)。

（4）小結(jié)3：接小結(jié)1，例如，如何用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證久置的氯化亞鐵溶液可能已被氧化？

（5）演示實(shí)驗(yàn)4：①取另一試管加入2mL久置的稀FeCl2溶液，滴入稀KSCN液，可觀察溶液變淺紅色；②再取試管加入約2mL新制的稀FeCl2溶液，然后滴加稀KSCN溶液，可觀察溶液不變色；③再分別往兩支試管中逐滴加入3%H2O2溶液，可觀察到試管中溶液的紅色逐漸加深，并產(chǎn)生氣泡；④繼續(xù)加入雙氧水，可觀察到紅色褪去，溶液變成黃色，并產(chǎn)生更多的大量氣泡。

（6）結(jié)束語：上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的產(chǎn)生，是溶液中的微粒之間發(fā)生了怎樣的反應(yīng)？我們?nèi)绾畏治觯课覀內(nèi)绾斡没瘜W(xué)用語進(jìn)行正確的表達(dá)？且聽下節(jié)課（下一課時(shí)主要為化學(xué)平衡知識(shí)綜合解決化學(xué)問題）。

3.作業(yè)設(shè)計(jì)——鞏固基礎(chǔ)、克服疑難、啟動(dòng)新知

作業(yè)1：（1）畫出CO2氣體持續(xù)通入50mL0.1mol/LNaOH溶液中氫氧根離子濃度隨時(shí)間變化曲線圖；（2）某可逆反應(yīng)Y（aq） Z（aq），其化學(xué)平衡常數(shù)K很小，用c—t曲線圖（反應(yīng)物及生成物濃度隨時(shí)間變化的曲線圖）示意此反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)K很小。

設(shè)計(jì)意圖：鞏固可逆反應(yīng)、化學(xué)限度、平衡常數(shù)、c—t圖等基本概念及其關(guān)系。

作業(yè)2：已知Co（H2O）2+4（aq）+4Cl-（aq） CoCl2-4（aq）+4H2O ΔH>0

粉紅色 藍(lán)色

（1）此反應(yīng)的平衡常數(shù)表達(dá)式為_______；（2）將氯化鈷（CoCl2）溶于濃鹽酸可得到藍(lán)色溶液，某同學(xué)將此藍(lán)色溶液分成A、B、C三份，并分別：A浸入冰水、B浸入熱水、C用酒精燈直接加熱，發(fā)現(xiàn)其中一份為異?，F(xiàn)象，你認(rèn)為可能是_______，其原因可能是_______；（3）正反應(yīng)的ΔS_______0，說明你的理由______________。

設(shè)計(jì)意圖：鞏固平衡常數(shù)表達(dá)式、化學(xué)平衡移動(dòng)因素；并引導(dǎo)學(xué)生注意實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)對(duì)結(jié)果的影響。

作業(yè)3：人體血液內(nèi)的血紅蛋白（Eb）易與O2結(jié)合生成HbO2，因此具有輸氧能力。吸入CO后肺中發(fā)生反應(yīng)：CO（aq）+HbO2（aq） O2（aq）+HbCO（aq），寫出該反應(yīng)的平衡常數(shù)表達(dá)式_______ ；37℃時(shí)，該反應(yīng)的平衡常數(shù)K=220，若HbCO的濃度達(dá)到HbO2濃度的0.02倍，人的智力就會(huì)受損，為防止人的智力受損，吸入的CO與O2濃度之比不得超過_______；把CO中毒的病人放入高壓氧艙中解毒，其原理是_______；

設(shè)計(jì)意圖：鞏固化學(xué)平衡常數(shù)的簡單計(jì)算并嘗試解決具體的應(yīng)用問題，為下節(jié)課埋下伏筆。

四、結(jié)語

德國著名科學(xué)家馮·勞厄曾經(jīng)說過，教育所給予人們的無非是當(dāng)一切已學(xué)過的東西都忘記后所剩下來的東西。高中畢業(yè)后，很多學(xué)生或許將不再學(xué)習(xí)化學(xué)而逐漸淡忘具體的化學(xué)事實(shí)性知識(shí)，但若在今后的生活中，他們看到或感覺到物質(zhì)變化的宏觀現(xiàn)象，就會(huì)想到可能是構(gòu)成物質(zhì)的微觀粒子的相互作用，并能用語言對(duì)這種現(xiàn)象或變化進(jìn)行表達(dá)，這也許就是在他們的頭腦中“剩下的東西”。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

[1] 張丙香，畢華林.化學(xué)三重表征的含義及其教學(xué)策略[J].中國教育學(xué)刊，2013（2）：73.

[2] 周改英.基于鐵離子檢驗(yàn)的教學(xué)問題探討[J].化學(xué)教育，2011（2）：69.

（責(zé)任編輯 羅 艷）