化學平衡教學“靜態(tài)模型”思維構(gòu)建及其應用

慈夫玲 夏振洋 陳瑞蛟

(1.山東省濟寧市海達行知學校 山東濟寧 272100；2.重慶市彭水縣教師進修學校 重慶彭水 409600；3.山東省濟寧醫(yī)學院 山東濟寧 272067)

一、問題的背景及提出

中學化學教學中存在很多常用模型，如假想建模、虛擬建模、動態(tài)建模等。有學者提出，建模過程所需能力為四階段八步驟，分別為：1.模型發(fā)展階段，含模型選擇和模型建立；2.模型精致階段，含模型效化和模型分析；3.模型轉(zhuǎn)移階段，含模型應用和模型調(diào)度；4.模型重建階段，含模型修正和模型轉(zhuǎn)換。

2018年高考化學新課標卷考試說明[1]中提出：

(6)化學反應速率和化學平衡

⑤理解外界條件(濃度、溫度、壓強、催化劑等)對反應速率和化學平衡的影響，認識并能用相關(guān)理論解釋其一般規(guī)律。

⑥了解化學反應速率和化學平衡的調(diào)控在生活、生產(chǎn)和科學研究領域中的重要作用。

如何讓學生快速、準確地理解這個難點呢？有不少老師先用化學平衡的實驗佐證“條件改變影響化學平衡的移動方向”這一結(jié)論，再比較化學平衡常數(shù)K與濃度商(Qc)的大小，然后進行理論剖析。這在教學過程中不失為一個較好的方法。但在條件發(fā)生變化的過程中，學生同時分析反應物和生成物的速率變化，容易出問題。因為在動態(tài)的體系中動態(tài)建模，自然容易出現(xiàn)錯誤。這些教學難點可否進行建模處理？筆者做了靜態(tài)建模嘗試。

二、利用靜態(tài)模型解決化學平衡問題

(一)課堂教學案例：《化學反應原理》[2]第二章第二節(jié)

教師：在化學平衡的影響條件中，課本實驗2-5通過現(xiàn)象的變化佐證了增減生成物C(H+)的變化會使平衡方向發(fā)生改變，現(xiàn)象也比較明顯?；瘜W平衡為什么發(fā)生移動呢？

教師：逆反應速率加快，正反應速率也在加快啊，平衡為什么就向逆反應方向移動呢？

學生：這個……

設計意圖：有不少學生在學習平衡條件的影響因素時，不能從本質(zhì)上理解平衡移動的原因。表現(xiàn)為化學平衡移動是由于濃度、溫度、壓強的變化使可逆反應從一種平衡狀態(tài)變?yōu)榱硪黄胶鉅顟B(tài)的過程。平衡移動的實質(zhì)是因為條件的變化打破了正反應、逆反應速率相等的關(guān)系：υ(正)≠υ(逆)。在外界條件改變的瞬間，V反、V生會發(fā)生怎樣的變化？增大C(H+)，會使逆反應速率加快，正反應速率不變，V反＞V生，因此，平衡逆向移動。

(二)靜態(tài)模型平衡理論

根據(jù)任意條件的改變，分析改變條件的瞬間V反、V生發(fā)生的變化，即：在外界條件發(fā)生改變時，靜態(tài)分析由條件變化引起各標量變化，構(gòu)建出如表1所示理論。對可逆反應：

表1 靜態(tài)模型平衡理論框架

(三)靜態(tài)模型平衡理論的應用

1.由一個變量推導多個變量

例1 在密閉容器中，反應xA(g)+yB(g)zC(g)，達到平衡后，測得A氣體的濃度為0.5mol/L。保持溫度不變，將密閉容器的容積增加一倍，當達到新的平衡時，測得A的濃度為0.3mol/L，則下列敘述中正確的是( )。

A.平衡向正反應方向運動 B.x+y＞z

C.V(c)%增大 D.物質(zhì)B的轉(zhuǎn)化率增大

解析：此題中重要的信息素是“保持溫度不變，將密閉容器的容積增加一倍”，在靜態(tài)模型中(見圖1)，A氣體的濃度應為0.25mol/L，而實際上為0.3mol/L，則說明平衡逆向移動。則答案選B。

圖1

2.容器問題

例2 一定溫度下，在一容積固定的密閉容器中，建立了下列平衡：恒溫下，再向容器通入一定量NO2，重新建立平衡后，容器中N2O4的體積分數(shù)( )。

A.減少 B.增大 C.不變 D.無法判斷變化情況

解析：此題中首先要想到“再向容器通入一定量NO2”中的NO2不是單一的NO2，而是已經(jīng)達到與前者一樣的平衡體系，現(xiàn)在是將兩個平衡體系壓縮在一個容器中，借助靜態(tài)模型分析。若壓縮的瞬間，平衡不移動，則容器中N2O4的體積分數(shù)不變，而實際上是體積減小，V生＞V反。因此，平衡正向移動，容器中N2O4的體積分數(shù)增大(見圖2)。若保持溫度不變，將密閉容器改為恒壓條件下體積可變?nèi)萜?見圖3)，則N2O4的體積分數(shù)不變。圖2和圖3均為等效平衡理論中常見的兩種情況。

三、應用靜態(tài)模型思維的注意事項

靜態(tài)模型適用于氣相反應，也適用于液相中某成分的濃度判斷，依據(jù)是客觀條件的變化導致V反≠V生，從而引起平衡的移動，最后形成新的化學平衡移動。

圖2

圖3

例3 判斷下列溶液中離子濃度問題的正誤。

A.0.2mol/L與0.1mol/L醋酸中C(H+)之比為2：1

B.甲、乙兩杯醋酸稀溶液，甲的pH=a，乙的pH=a+1，甲中的C(OH-)為乙中C(OH-)的10倍

C.對室溫下pH相同、體積相同的醋酸和鹽酸兩種溶液分別加水稀釋10倍后，兩溶液的pH均增大

D.如果取0.2mol/L HX溶液與0.1mol/L NaOH溶液等體積混合，測得混合溶液的pH＞7，則說明HX的電離程度 NaX的水解程度(填＞、＜或=)

解析：

A選項，0.2mol/L醋酸與0.1mol/L醋酸，從濃度上看，前者的濃度是后者是兩倍，將前者濃度稀釋一倍后就變成0.1mol/L醋酸，靜態(tài)處理分析：前者稀釋的過程中若平衡不移動，則C(H+)之比為2：1，而實際是平衡發(fā)生移動，導致C(H+)之比大于2：1。

B、C選項正確。

D選項，0.2mol/L HX溶液與0.1mol/L NaOH溶液等體積混合后溶液成分變成等物質(zhì)量的NaX與HX混合溶液，對于等物質(zhì)量的混合溶液靜態(tài)處理分析：若酸電離程度大，則溶液顯酸性；若鹽的水解程度大，則溶液顯堿性。實際情況是pH＞7，說明HX的電離程度小于NaX的水解程度，故填＜。

四、結(jié)束語

靜態(tài)模型的構(gòu)建是針對化學平衡理論的應用做出的一種有效的靜態(tài)模型化處理，是將復雜的化學問題、實際問題的一些次要細節(jié)及非本質(zhì)的內(nèi)容舍去，通過建模簡化和理想化處理，即借符號、線條、圖形等將實際問題概念化、符號化，最后用數(shù)學工具求解?；瘜W平衡問題也可以將條件改變產(chǎn)生的不同變量靜態(tài)化建模處理，凸顯出幾個標量，并通過模型求解，最后判定平衡移動的綜合效果。