基于高中化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)下的化學(xué)平衡常數(shù)的教學(xué)研究

簡敏華

摘 要：通過對人教版選修4第三章第三節(jié)的一道例題的改編，利用三態(tài)分析法分析可逆反應(yīng)在等溫、起始濃度不同的條件下的平衡移動情況，預(yù)測達(dá)到平衡后兩個平衡狀態(tài)的不同;由淺入深地將“變化觀念與平衡思想”思維方式滲透到教學(xué)當(dāng)中，加深學(xué)生對化學(xué)平衡常數(shù)的理解。

關(guān)鍵詞：化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng);化學(xué)變化觀念;教材研究;平衡思想

一、基本情況分析

化學(xué)選修4《化學(xué)反應(yīng)原理》的學(xué)習(xí)內(nèi)容與高中化學(xué)核心素養(yǎng)中的素養(yǎng)2“變化觀念與平衡思想”的培養(yǎng)密切相關(guān)，教師在教學(xué)過程中應(yīng)充分利用機(jī)會滲透和培養(yǎng)學(xué)生的變化觀念和平衡思想。而化學(xué)平衡的問題更是整冊書的重點(diǎn)和難點(diǎn)。平衡問題題型多，解題方法多，其中化學(xué)平衡間的比較是最具代表性的一類，解決好這一類問題無疑對化學(xué)平衡的理解和運(yùn)用有極大的幫助。

在教學(xué)過程中，筆者在講授人教版選修4《化學(xué)反應(yīng)原理》第三章第三節(jié)化學(xué)平衡最后一部分內(nèi)容化學(xué)平衡常數(shù)的計(jì)算例題時，筆者嘗試將課本29頁的例題1進(jìn)行了改編，通過一變四的例題，巧妙地創(chuàng)設(shè)了四個相關(guān)的又條件不同的情景，通過比較分析，增強(qiáng)學(xué)生多角度、動態(tài)地分析化學(xué)反應(yīng)，運(yùn)用化學(xué)反應(yīng)原理解決實(shí)際問題的能力。整個教學(xué)過程，既完成了學(xué)會計(jì)算平衡常數(shù)的學(xué)習(xí)任務(wù)，又加深了學(xué)生對可逆反應(yīng)變化觀念和平衡思想的理解。

二、教學(xué)基本環(huán)節(jié)節(jié)選

1.環(huán)節(jié)一

【教師】上一節(jié)課，我們學(xué)習(xí)了平衡常數(shù)的表達(dá)方法，知道了平衡常數(shù)的意義以及其在判斷化學(xué)平衡狀態(tài)上的應(yīng)用。本節(jié)我們要通過實(shí)際的例子，學(xué)會應(yīng)用平衡常數(shù)解決問題。下面請同學(xué)完成導(dǎo)學(xué)案上的例題。

【學(xué)生】在導(dǎo)學(xué)案上完成例題：在某溫度下，將H2和I2各0.10mol的氣態(tài)混合物充入10L的密閉容器中，充分反應(yīng)，達(dá)到平衡后，測得c（H2）=0.008 0 mol/L。求該反應(yīng)的平衡常數(shù)及I2的轉(zhuǎn)化率。

【教師】在檢查學(xué)生完成情況后，對計(jì)算過程進(jìn)行糾正勘誤。通過列三段式計(jì)算得到各種參與反應(yīng)物質(zhì)的平衡濃度，可得平衡常數(shù)，本題的K=c2（HI）/c（H2）c（I2）=（0.0040）2/（0.0080）2=0.25，α（I2）=20%

2.環(huán)節(jié)二

【教師】通過上述計(jì)算，我們已計(jì)算出此溫度下上述反應(yīng)的平衡常數(shù)。根據(jù)平衡常數(shù)只受溫度的影響，與反應(yīng)物或生物的濃度無關(guān)這一性質(zhì)，請大家計(jì)算例題變式1的答案。

【學(xué)生】在導(dǎo)學(xué)案上完成例題變式1：在相同溫度下，將0.20mol的HI氣體充入10L的密閉容器中，充分反應(yīng)，試求達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)時各物質(zhì)的濃度。

【教師】在檢查學(xué)生完成情況后，對計(jì)算過程進(jìn)行糾正勘誤。過程分析： 設(shè)I2的轉(zhuǎn)化濃度為Xmol/L，則平衡時，三種物質(zhì)I2（g）、H2（g）、HI（g）的濃度（mol/L）分別為：X、X、0.020-2X，則 K= c2（HI）/c（H2）c（I2）=（0.020-2X）2/（X）2=0.25化簡后計(jì)算得X=0.0080

【教師】同學(xué)們請觀察兩個例題的演算結(jié)果的三態(tài)分析，請討論相同溫度下，起始狀態(tài)不一樣的這個反應(yīng)，平衡狀態(tài)各物質(zhì)的濃度有什么特點(diǎn)？你認(rèn)為原因是什么？

【展示】兩個例題的三種狀對比態(tài)：

【學(xué)生回答】（1）在相同溫度下，這個反應(yīng)從正方向開始和從逆方向開始，達(dá)到平衡的狀態(tài)是一樣的。（引導(dǎo)提問：有沒有發(fā)現(xiàn)這兩個方向開始時使用的反應(yīng)物的量有什么關(guān)系？）

（2）如果把例題1的反應(yīng)物全部轉(zhuǎn)化成生成物，剛好就是0.020 mol/L的HI。

（引導(dǎo)問題：在這個條件下，你覺得這種現(xiàn)象是偶然的還是必然？）

（3）應(yīng)該是因?yàn)镠2和I2各0.10 mol和0.20 mol的HI其實(shí)是可以等量相互轉(zhuǎn)化的，相當(dāng)于所含的反應(yīng)物是一樣的，所以兩個平衡狀態(tài)各物質(zhì)的濃度都一樣。

【教師】小結(jié)：我們已經(jīng)知道可逆反應(yīng)既可以從正反應(yīng)方向開始，也可以從逆反應(yīng)方向開始。那么，如果反應(yīng)開始時溫度相同，反應(yīng)物或生成物使用的量相當(dāng)（按方程式的比例轉(zhuǎn)化成同一邊的反應(yīng)物后物質(zhì)的量相等），其達(dá)到平衡后各物質(zhì)的濃度相等。利用好這個規(guī)律，可以幫助我們解決一些問題。

3.環(huán)節(jié)三

【教師】通過例題1和變式1的計(jì)算，我們知道了對于可逆反應(yīng)，如果反應(yīng)開始時溫度相同，反應(yīng)物或生成物使用的量相當(dāng)（按方程式的比例轉(zhuǎn)化成同一邊的反應(yīng)物后物質(zhì)的量相等），其達(dá)到平衡后各物質(zhì)的濃度相等。那么，現(xiàn)在我們對例題1再變一變，看看將反應(yīng)物的用量增加一倍，平衡時的各物質(zhì)的濃度又將會有什么變化規(guī)律？請同學(xué)們完成變式2。

【學(xué)生】在導(dǎo)學(xué)案上完成例題變式2：在相同溫度下，將H2和I2蒸氣各0.20 mol的混合氣體充入10L的密閉容器中，充分反應(yīng)，試求達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)時各物質(zhì)的濃度及I2的轉(zhuǎn)化率。

通過計(jì)算，學(xué)生能列出第三種情況下的三態(tài)分析，并與例題1的進(jìn)行對比：

【教師】問題引導(dǎo)：（1）請問你能從這兩組數(shù)據(jù)中得出什么規(guī)律？

【學(xué)生】相同條件下，當(dāng)反應(yīng)物用量增加一倍，平衡時各物質(zhì)的量濃度都增加一倍。

【教師】問題引導(dǎo)：（2）平衡濃度增加一倍，那么這時反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率是否變化了？

【學(xué)生】通過計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)化率是沒有變化的，也就是說反應(yīng)進(jìn)行的程度是相同的。

【教師】問題引導(dǎo)：（3）當(dāng)溫度相同時，當(dāng)反應(yīng)物用量增加一倍，平衡時各物質(zhì)的量濃度都增加一倍，轉(zhuǎn)化率不變。這個規(guī)律你認(rèn)為有普遍性嗎？能不能用平衡移動的原理來解釋一下？（提示：試試看從濃度、壓強(qiáng)改變的情況來分析）

【學(xué)生】思考后回答，這種情況類似于容積不變，給平衡體系進(jìn)行壓縮一半的體積，各物質(zhì)的濃度都增加一倍，但是這個反應(yīng)由于前后氣體系數(shù)相同，所以平衡不移動，反應(yīng)進(jìn)行的程度不變。

【教師】小結(jié)：當(dāng)溫度相同時，當(dāng)反應(yīng)物用量增加一倍，例題中的計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)平衡時各物質(zhì)的量濃度都增加一倍，轉(zhuǎn)化率不變的情況?？梢杂闷胶庖苿拥脑斫忉專哼@種情況類似于容積不變情況下，給平衡體系進(jìn)行壓縮一半的體積，各物質(zhì)的濃度都增加一倍，但是這個反應(yīng)由于前后氣體的體積相同，所以平衡不移動，反應(yīng)進(jìn)行的程度不變，所以平衡時各物質(zhì)的量濃度都增加一倍，轉(zhuǎn)化率不變。

4.環(huán)節(jié)四

【教師】也就是說，當(dāng)溫度相同時，當(dāng)反應(yīng)物用量增加一倍，例題中的計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)平衡時各物質(zhì)的量濃度都增加一倍，轉(zhuǎn)化率不變的情況是出現(xiàn)在反應(yīng)前后氣體的體積相同的情況下。那么如果可逆反應(yīng)是反應(yīng)前后氣體的體積不同的反應(yīng)，你可不可以去用相類似的方法分析得出結(jié)論？請討論下面的變式3。

【學(xué)生】討論導(dǎo)學(xué)案上例題變式3：在一定溫度下，將1 mol N2和3 mol H2放入1L恒容密閉容器中，達(dá)到平衡時，測得NH3為0.8 mol。請預(yù)測如果此時再加入1 mol N2和3 mol H2，達(dá)到新平衡時，NH3的物質(zhì)的量的數(shù)值范圍。

【教師】引導(dǎo)學(xué)生列出兩個平衡的起始態(tài)和平衡態(tài)進(jìn)行比較

當(dāng)溫度相同時，當(dāng)反應(yīng)物用量增加一倍，這種情況類似于容積不變情況下，給平衡體系進(jìn)行壓縮一半的體積，各物質(zhì)的濃度都增加一倍。若平衡發(fā)生移動，則平衡時各物質(zhì)的量濃度都增加一倍（則NH3濃度變?yōu)?.6 mol/L），轉(zhuǎn)化率不變。但是，此反應(yīng)密閉容器中的氣體增加，相當(dāng)于加壓，平衡向正方向移動，所以生成物濃度會是原平衡濃度的兩倍多（即NH3濃度變?yōu)榇笥?.6 mol/L）。那么，反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率也會相應(yīng)的增大。

小結(jié)：通過上述幾個例題的對比分析，我們可以體會到在溫度不變的條件下，利用平衡常數(shù)求不同起始濃度下各物質(zhì)的平衡濃度及轉(zhuǎn)化率，且此條件下的平衡時的濃度變化規(guī)律，還可以結(jié)合壓強(qiáng)對平衡的影響規(guī)律進(jìn)行預(yù)測與分析。用相同的分析方法，同學(xué)們課后還可以把上述例題中的情景換成恒壓容器進(jìn)行分析，看看得到的規(guī)律有什么不同。我們在學(xué)習(xí)的過程中要學(xué)會舉一反三，題型各有不同，但是我們分析問題的思路是可以進(jìn)行類推和歸納的。

三、課后的總結(jié)與反思

本教學(xué)環(huán)節(jié)主要是加深學(xué)生對平衡常數(shù)的理解和熟練應(yīng)用技巧。平常教學(xué)流程一般是教師講評完課本的例題，然后讓學(xué)生就堂上繼續(xù)做一些其他相關(guān)的題目作為鞏固訓(xùn)練。本環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)意圖是，脫離常規(guī)的教學(xué)設(shè)計(jì)流程，對課本的一道例題作了三個變式，同一個反應(yīng)，不同的起始條件，由于平衡的移動或不移動，引起了反應(yīng)出現(xiàn)了不同的變化規(guī)律。學(xué)生在訓(xùn)練過程中可以充分地體會到可逆反應(yīng)變化觀念和平衡思想。其中各個環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)意圖和教學(xué)目的如下表：

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編輯 謝尾合