分析速率平衡圖像 提升學(xué)生思維素養(yǎng)

蘇美華

摘要：選取浙江省各地區(qū)選考模擬卷中易錯(cuò)的速率平衡圖像題目，從多種外界因素共同作用于速率和平衡、同一外界因素先作用于速率后作用于平衡、同一外界因素同時(shí)作用于速率和平衡、速率與平衡的關(guān)系等方面分類(lèi)總結(jié)，挖掘題目中蘊(yùn)含的思維素養(yǎng)，通過(guò)分析和解決問(wèn)題來(lái)提升學(xué)生的思維素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)；化學(xué)平衡；化學(xué)反應(yīng)速率；圖像；思維素養(yǎng)

文章編號(hào)：1005–6629（2017）10–0077–04 中圖分類(lèi)號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)具體指宏觀辨識(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)任五個(gè)方面。其中證據(jù)推理與模型認(rèn)知蘊(yùn)含著思維素養(yǎng)。思維素養(yǎng)決定著知識(shí)技能的掌握程度，也決定著問(wèn)題解決的水平深度。如何在教學(xué)中主動(dòng)地提升學(xué)生的思維素養(yǎng)？筆者以浙江省化學(xué)選考第30題考查的部分內(nèi)容為例，選取各地區(qū)選考模擬卷第30題中有關(guān)速率和平衡的圖像題目進(jìn)行分類(lèi)研究，有針對(duì)性地培養(yǎng)學(xué)生的各項(xiàng)思維品質(zhì)，在解決各類(lèi)問(wèn)題過(guò)程中提升學(xué)生的思維素養(yǎng)。

1 分析多因素作用于速率和平衡

化學(xué)反應(yīng)速率是衡量化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行快慢的物理量?；瘜W(xué)反應(yīng)速率的大小主要取決于反應(yīng)物的性質(zhì)，也受外界因素的影響?；瘜W(xué)平衡狀態(tài)是指可逆反應(yīng)在一定條件下進(jìn)行到一定程度時(shí)，正反應(yīng)和逆反應(yīng)速率相等，反應(yīng)物和生成物的濃度不再發(fā)生變化的狀態(tài)[1]?；瘜W(xué)平衡狀態(tài)只有在一定的條件下才能保持。當(dāng)平衡體系條件改變時(shí)，正、逆反應(yīng)速率發(fā)生改變，正、逆反應(yīng)速率不相等時(shí)，原有的平衡狀態(tài)被破壞，一段時(shí)間后會(huì)達(dá)到新的平衡狀態(tài)[2]。

外界因素如濃度、溫度、壓強(qiáng)、催化劑、反應(yīng)物接觸面積、固體顆粒大小等改變，會(huì)引起化學(xué)反應(yīng)速率的變化。但各個(gè)外界因素對(duì)可逆反應(yīng)正、逆方向速率的影響程度不盡相同。一些條件改變引起正、逆速率改變程度不同，原平衡被破壞，該影響速率的因素也是影響平衡的因素。一些條件改變雖然引起正、逆速率改變，但改變的程度相同，該因素是影響速率的因素卻不是影響平衡的因素。因此，影響速率的因素不一定是影響平衡的因素。例如，催化劑同等程度影響正逆反應(yīng)速率，不影響平衡。對(duì)方程式兩邊氣體計(jì)量數(shù)相同的反應(yīng)，改變壓強(qiáng)，速率改變，但正、逆方向速率同時(shí)、同等程度改變，平衡不受影響。在速率平衡圖像中，如果涉及多個(gè)因素，這類(lèi)問(wèn)題較復(fù)雜，學(xué)生不僅需要具備有關(guān)速率和平衡理論的基礎(chǔ)知識(shí)，還需要全面考察、分析問(wèn)題，透過(guò)紛繁的現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的本質(zhì)，才能獲得問(wèn)題的正確答案。

例1 （臺(tái)州市2017年2月選考科目教學(xué)質(zhì)量評(píng)估試題30題節(jié)選）汽車(chē)尾氣的主要成分有CO、SO2、氮氧化物等，科研工作者目前正在嘗試以二氧化鈦（TiO2）催化分解汽車(chē)尾氣的研究。已知TiO2催化尾氣降解原理為：

分析：題中將溫度和催化劑兩因素共同作用于平衡，由于催化劑不影響平衡，因此使用不同催化劑在同一溫度下的平衡轉(zhuǎn)化率應(yīng)該相同，即三線合一。題圖表明，平衡后，降解率隨溫度升高而下降，所以若將TiO2改為催化效果更好的TiO2納米管，反應(yīng)速率加快，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行相同一段時(shí)間，平衡應(yīng)該出現(xiàn)在較低溫度，該平衡點(diǎn)降解率較高。綜合上述兩點(diǎn)，可以作答如圖1-2。

通過(guò)分析溫度、催化劑因素對(duì)速率的影響來(lái)分析同一段時(shí)間平衡點(diǎn)出現(xiàn)的溫度范圍，再通過(guò)溫度對(duì)平衡的影響來(lái)分析該溫度點(diǎn)的降解率大小，問(wèn)題便迎刃而解。經(jīng)歷一系列的分析過(guò)程，學(xué)生對(duì)溫度既影響速率又影響平衡有了較全面的認(rèn)識(shí)和理解，對(duì)催化劑不影響平衡，但因影響速率從而影響達(dá)到平衡的時(shí)間也有了較深入的認(rèn)識(shí)。

2 剖析單因素作用于速率或平衡

外界因素改變，速率和平衡都可能發(fā)生改變，學(xué)生往往容易將速率和平衡混為一談，不能辯證分析速率理論和平衡理論的本質(zhì)區(qū)別，不能從實(shí)際出發(fā)將速率或平衡問(wèn)題獨(dú)立分析判斷，造成解決問(wèn)題困難，甚至無(wú)從下手。例如，反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率或者產(chǎn)率隨溫度發(fā)生變化的圖像，到底是用速率理論還是平衡理論去分析，學(xué)生常常犯難。筆者引導(dǎo)學(xué)生思考、辨別、領(lǐng)悟，形成基本的思維模式：速率理論適用于反應(yīng)的整個(gè)過(guò)程，而平衡理論只適用于反應(yīng)達(dá)到平衡以后。學(xué)生經(jīng)過(guò)獨(dú)立思考、反思，不難獲得反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率或者產(chǎn)率隨溫度發(fā)生變化的圖像的分析思路：達(dá)到平衡以前，應(yīng)用速率理論，溫度越高，速率越快，轉(zhuǎn)化率或產(chǎn)率越高；達(dá)到平衡以后，應(yīng)用平衡理論，溫度升高，平衡向吸熱方向移動(dòng)，若正反應(yīng)吸熱，轉(zhuǎn)化率或產(chǎn)率增大，若正反應(yīng)放熱，轉(zhuǎn)化率或產(chǎn)率下降。

例2 （2016學(xué)年第一學(xué)期溫州十校聯(lián)合體高三期末考試化學(xué)學(xué)科試題30題節(jié)選）研究氮氧化物反應(yīng)機(jī)理，對(duì)于控制汽車(chē)尾氣、保護(hù)環(huán)境有重要意義。NH3還原氮氧化物（SCR）技術(shù)是目前應(yīng)用最廣泛的煙氣氮氧化物脫除技術(shù)。反應(yīng)的熱化學(xué)方程式為：4NH3（g）+6NO（g）=5N2（g）+6H2O（g），ΔH=-1811.63kJ/mol；反應(yīng)在恒容密閉容器中進(jìn)行，在其他條件相同時(shí)，選用不同的催化劑，反應(yīng)產(chǎn)生N2的物質(zhì)的量隨時(shí)間變化如圖2-1所示。

（1）在催化劑A的作用下，經(jīng)過(guò)相同時(shí)間，測(cè)得脫氮率隨反應(yīng)溫度的變化情況如圖2-2所示，據(jù)圖可知，在相同的時(shí)間內(nèi)，300℃之前，溫度升高脫氮率逐漸增大，300℃之后溫度升高脫氮率逐漸減?。ù呋瘎┚В淇赡艿脑蚴?。

（2）其他條件相同時(shí)，請(qǐng)?jiān)趫D2-2中補(bǔ)充在催化劑B作用下脫氮率隨溫度變化的曲線。

分析：圖像表明，溫度較低時(shí)，脫氮率隨溫度升高而升高；溫度較高時(shí)，脫氮率隨溫度升高而下降。脫氮率隨溫度變化呈現(xiàn)相反的變化規(guī)律，顯然不能全程應(yīng)用平衡理論來(lái)解釋。溫度較低時(shí)，反應(yīng)速率較慢，在相同的時(shí)間內(nèi)反應(yīng)尚未達(dá)到平衡，脫氮率由速率決定。溫度較高時(shí)，反應(yīng)速率較快，在相同的時(shí)間內(nèi)反應(yīng)已經(jīng)達(dá)到平衡，脫氮率高低要考慮平衡移動(dòng)的影響。即（1）參考答案：300℃前反應(yīng)未平衡，脫氮率決定于速率，溫度越高速率越快，所以脫氮率增大；300℃之后反應(yīng)達(dá)平衡，脫氮率決定于平衡的移動(dòng)，該反應(yīng)正反應(yīng)是放熱反應(yīng)，升高溫度平衡逆向移動(dòng)，脫氮率減小。（2）中，催化劑改變只影響速率，不影響平衡，所以平衡時(shí)脫氮率不變，催化劑B比催化劑A的催化效率低，同一溫度下，反應(yīng)速率慢，經(jīng)過(guò)相同時(shí)間要達(dá)到平衡，必然溫度更高，使用催化劑B比催化劑A達(dá)到平衡時(shí)脫氮率更低，但最終的脫氮率在相同溫度下相同，如圖2-3。endprint