構(gòu)建化學(xué)反應(yīng)的速率與化學(xué)平衡邏輯關(guān)系的微專題教學(xué)

高巖

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》倡導(dǎo)培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)，筆者發(fā)現(xiàn)，“變化觀念與平衡思想”核心素養(yǎng)是學(xué)生素養(yǎng)培養(yǎng)中的一大難點(diǎn)。比如學(xué)生在學(xué)習(xí)人教版化學(xué)選修4中的《化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡》這一章內(nèi)容時(shí)，極易混淆前后所學(xué)知識(shí)，且思維邏輯混亂，無(wú)法構(gòu)建完整的知識(shí)體系，也因此很難真正建構(gòu)變化觀念和平衡思想。筆者嘗試引入“瞬時(shí)速率”概念，以微專題教學(xué)方式，在化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡知識(shí)之間搭建起一座知識(shí)和思維的“彩虹橋”，便于學(xué)生透徹理解知識(shí)之間內(nèi)在的邏輯關(guān)系，取得了較好的實(shí)踐效果。

一、厘清學(xué)生的學(xué)習(xí)困惑點(diǎn)

面對(duì)學(xué)生的知識(shí)混淆、思維混亂，筆者仔細(xì)研讀學(xué)情，發(fā)現(xiàn)學(xué)生在本章學(xué)習(xí)中的主要困惑點(diǎn)表現(xiàn)為以下三點(diǎn)。

首先，在學(xué)習(xí)“影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素”這一內(nèi)容時(shí)，“濃度變化和壓強(qiáng)變化對(duì)速率的影響”是學(xué)生理解上的難點(diǎn)：學(xué)生分不清不同的情況下，到底應(yīng)該用濃度變化來(lái)分析速率，還是用壓強(qiáng)變化來(lái)分析速率。這個(gè)問(wèn)題得不到透徹理解和正確分析，將會(huì)影響學(xué)生對(duì)平衡移動(dòng)的理解和分析。

其次，在開始學(xué)習(xí)“影響平衡移動(dòng)的因素”這一內(nèi)容時(shí)，學(xué)生很容易在“不同的外界條件對(duì)正、逆反應(yīng)速率的影響”問(wèn)題上產(chǎn)生思維混亂，經(jīng)常出現(xiàn)類似升高溫度則吸熱方向速率加快、放熱方向速率減慢這樣的錯(cuò)誤認(rèn)知。究其根源，就是分不清速率變化和平衡移動(dòng)的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。

最后，學(xué)生對(duì)平衡常數(shù)這個(gè)概念的認(rèn)知僅停留在“記住”層面，無(wú)法深入理解平衡常數(shù)的形成原因，這也在一定程度上影響了其構(gòu)建速率與平衡這一章的完整知識(shí)體系。

二、尋求教學(xué)突破的關(guān)鍵

聯(lián)想之前學(xué)生在學(xué)習(xí)必修2第二章第3節(jié)《化學(xué)反應(yīng)的速率與限度》這一內(nèi)容時(shí)，課本用反應(yīng)速率和時(shí)間的圖像直觀說(shuō)明了化學(xué)平衡狀態(tài)的建立過(guò)程，這圖像中變化的速率其實(shí)就是瞬時(shí)速率，但是教材沒(méi)有點(diǎn)明，且絕大多數(shù)教師在教學(xué)過(guò)程中也不會(huì)給學(xué)生說(shuō)明和解釋，導(dǎo)致許多學(xué)生往往以平均速率的錯(cuò)誤認(rèn)知來(lái)理解該圖像，這就為后續(xù)相關(guān)知識(shí)和理論的學(xué)習(xí)埋下了隱憂。到了選修4學(xué)習(xí)《化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡》一課時(shí)，課本直接用平均速率為學(xué)生建立起反應(yīng)快慢的概念和計(jì)算公式，仍然沒(méi)有引入瞬時(shí)速率的概念和公式，于是更加深了學(xué)生的思維混亂。其實(shí)，在很多有關(guān)速率與平衡的圖像題中，常常要求對(duì)兩個(gè)點(diǎn)即兩個(gè)時(shí)刻的速率進(jìn)行大小比較，這顯然已經(jīng)隱含了瞬時(shí)速率的概念。同樣，在近年的高考題中也出現(xiàn)過(guò)不少以瞬時(shí)速率公式為信息，并要求對(duì)信息加以分析利用的題目，如2018年高考理科綜合全國(guó)Ⅰ卷第28（2）②題、全國(guó)Ⅱ卷第27（2）②題、全國(guó)Ⅲ卷第28（3）③題，2015年高考全國(guó)Ⅰ卷第28（4）②③題等。由此看來(lái)，在教學(xué)中引入瞬時(shí)速率的概念和公式，就顯得很有必要了。

從速率與平衡的內(nèi)在關(guān)聯(lián)來(lái)看，瞬時(shí)速率起著重要的橋梁作用。由于平均速率著眼于描述某一時(shí)間段的變化，更多的是一種宏觀表征;而平衡的建立與移動(dòng)，則是微觀變化的結(jié)果，其本質(zhì)需要從某一時(shí)刻的速率變化即瞬時(shí)速率來(lái)理解和分析。因而引入瞬時(shí)速率，可以幫助學(xué)生掃除思維屏障、解除知識(shí)困惑，有助于學(xué)生更深刻地理解速率與平衡等相關(guān)概念和理論，進(jìn)而建立起變化與平衡的邏輯關(guān)系。

此外，運(yùn)用瞬時(shí)速率分析和解決問(wèn)題，其實(shí)就是在不斷地運(yùn)用瞬時(shí)速率公式進(jìn)行證據(jù)與數(shù)據(jù)推理，將學(xué)生從簡(jiǎn)單的定性分析引向深入的定量分析，使學(xué)生得以發(fā)現(xiàn)變化的本質(zhì)，切實(shí)提高證據(jù)推理、數(shù)據(jù)處理等綜合思維能力，進(jìn)而培養(yǎng)證據(jù)推理與模型認(rèn)知核心素養(yǎng)。

三、引入瞬時(shí)速率，突破教學(xué)難點(diǎn)，構(gòu)建知識(shí)間的邏輯關(guān)系

筆者以化學(xué)反應(yīng)[a]A（g）+[b]B（g）? [c]C（g）為例，引入瞬時(shí)速率概念和公式，幫助學(xué)生突破學(xué)習(xí)難點(diǎn)，教學(xué)實(shí)施過(guò)程如下。

（一）讓學(xué)生充分理解瞬時(shí)速率的概念和公式中的相關(guān)物理量

首先，通過(guò)概念對(duì)比分析，幫助學(xué)生從定性角度建立認(rèn)知模型。讓學(xué)生明白：平均速率用來(lái)表征反應(yīng)在某一時(shí)間段的變化快慢，瞬時(shí)速率則用來(lái)表征反應(yīng)在某一時(shí)刻的變化快慢。

其次，通過(guò)公式對(duì)比分析，幫助學(xué)生從定量角度建立認(rèn)知模型。讓學(xué)生明白：在平均速率公式[v=Δc/Δt]中，無(wú)論是濃度變化還是對(duì)應(yīng)的時(shí)間變化，都不能幫助人們理解當(dāng)改變不同的條件時(shí)速率將會(huì)如何變化。而在瞬時(shí)速率公式[v正=k正·cm（A）·cn（B）]，[v逆=k逆·cp（C）]中：[k正]、[k逆]分別表示正向反應(yīng)和逆向反應(yīng)的速率常數(shù)，它只與反應(yīng)本身（內(nèi)因）、溫度和反應(yīng)的活化能（催化劑）有關(guān)。當(dāng)升高溫度，[k正]、[k逆]均增大，只是吸熱方向的速率常數(shù)增大更多;當(dāng)降低溫度時(shí)，二者均減小，只是吸熱方向的速率常數(shù)減小更多。使用（正）催化劑時(shí)，[k正]、[k逆]則同等程度增大。[c]（A）、[c]（B）、[c]（C）為物質(zhì)在某一時(shí)刻的物質(zhì)的量濃度。[m+n]稱為反應(yīng)級(jí)數(shù)。[m+n]=0時(shí)為零級(jí)反應(yīng)，[m+n]=1時(shí)為一級(jí)反應(yīng)……以此類推。一般情況下，[m]、[n]、[p]為對(duì)應(yīng)物質(zhì)的計(jì)量數(shù)，即[m]=[a]，[n]=[b]，[p]=[c]。于是可知，要改變速率，必須通過(guò)改變[k]（即改變溫度或使用催化劑）或改變物質(zhì)的濃度（即改變投料或容器容積）才能實(shí)現(xiàn)。

（二）利用瞬時(shí)速率公式，按知識(shí)遞進(jìn)，從反應(yīng)速率到平衡移動(dòng)再到平衡常數(shù)，由淺入深地逐個(gè)解決學(xué)生的疑難點(diǎn)

1.用瞬時(shí)速率公式，幫助學(xué)生理解溫度、催化劑、濃度、壓強(qiáng)等對(duì)反應(yīng)速率的影響

通過(guò)上面的分析可知，改變溫度或者使用催化劑，直接影響的只能是[k正]、[k逆]，由于二者均與兩個(gè)速率常數(shù)正相關(guān)，從而可知溫度變化和催化劑與正、逆速率變化都呈正相關(guān)。而其中使用催化劑，由于[k正]、[k逆]逆同等程度增大，則兩個(gè)方向的速率同等程度增大。

至于讓學(xué)生感到困擾的濃度變化和壓強(qiáng)變化對(duì)速率的影響，也可以輕松解決。從公式可知，無(wú)論壓強(qiáng)變化還是濃度變化，都無(wú)法改變[k正]、[k逆]，而只能改變氣體的濃度，因此，抓住濃度變化，就能得出結(jié)論。我們可以分別對(duì)以下6種常見(jiàn)情況展開探討：①恒容時(shí)投A或B或C，此時(shí)只有投料的物質(zhì)濃度增大，所以投料方向速率加快，未投料方向瞬時(shí)速率不變;②恒容時(shí)投A和B和C，各組分濃度均增大，此時(shí)兩個(gè)方向速率均加快;③恒容時(shí)投惰性氣體，各組分濃度不變，因而兩個(gè)方向速率均不變;④恒壓等比充入A、B、C，由于三者濃度均不變，所以正、逆速率均不變;⑤恒壓時(shí)充入惰性氣體，容器擴(kuò)大，三者濃度均減小，所以正、逆速率均減慢;⑥壓縮容器或擴(kuò)大容器（即通常的加壓或減壓），由于各氣體濃度均增大或減小，則正、逆速率均增大或減小。歸根結(jié)底，采用不同的投料方式或改變壓強(qiáng)，從根本上講都是改變濃度，因此抓住氣體濃度變化這個(gè)實(shí)質(zhì)來(lái)展開分析，就可以厘清思路，弄明白各種條件變化對(duì)反應(yīng)速率的影響。這樣的講解，可以為學(xué)生進(jìn)一步理解平衡移動(dòng)打下思維基礎(chǔ)。

2.用瞬時(shí)速率公式，幫助學(xué)生理解影響平衡移動(dòng)的因素及平衡移動(dòng)原理

學(xué)生已經(jīng)知道，只要[v]正≠[v]逆，平衡就會(huì)向著速率快的方向移動(dòng)。此時(shí)利用瞬時(shí)速率公式，可以幫助學(xué)生更深入地理解改變外界條件對(duì)平衡移動(dòng)的影響。比如，理解溫度對(duì)平衡移動(dòng)的影響：前面已經(jīng)分析過(guò)，升高溫度，由于正、逆速率常數(shù)均增大，所以，正逆速率均增大;又因?yàn)槲鼰岱较虻乃俾食?shù)增大更多，從而導(dǎo)致吸熱方向速率加快更多，結(jié)果就是[v]吸熱>[v]放熱，所以，平衡向吸熱方向移動(dòng)。這樣用公式進(jìn)行證據(jù)推理，就能從根本上改變一些學(xué)生總認(rèn)為升溫時(shí)，只有吸熱方向速率加快、而放熱方向速率變慢的錯(cuò)誤認(rèn)知。針對(duì)學(xué)生最難理解的“壓強(qiáng)對(duì)平衡移動(dòng)方向的影響”，同樣可以用瞬時(shí)速率公式進(jìn)行證據(jù)推理。

仍以反應(yīng)[a]A（g）+[b]B（g）? [c]C（g）為例。按一般情況分析，建立平衡狀態(tài)時(shí)，[v]正0=[v]逆0，即[k]正·[ca]（A）0·[cb]（B）0=[v]逆·[cc]（C）0。若將壓強(qiáng)加大一倍，即由[p]0→2[p]0，則容器容積由[V]0→1/2[V]0，各氣體組分濃度瞬時(shí)增大至原來(lái)的兩倍，可得[v]正=[k]正·[2[c]（A）0][a]·[2[c]（B）0][b]=[k]正·[[c]（A）0]a·[[c]（B）0][b]·2[a+b]，[v]逆=[k]逆·[2[c]（C）0][c]=[k]逆·[[c]（C）0][c]·2[c]，顯然，兩個(gè)方向速率均增大。若[a+b>c]，則正向速率增大更多，平衡將向著正向，也就是氣體體積減小的方向移動(dòng);若[a+b

對(duì)于催化劑不影響平衡移動(dòng)這一結(jié)論，從公式角度來(lái)量化理解就更容易了，此處不再贅述。

3.用瞬時(shí)速率公式，幫助學(xué)生理解化學(xué)平衡常數(shù)

在教材中，平衡常數(shù)的概念是通過(guò)一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出的。但很多學(xué)生對(duì)于“為什么溫度一定，一個(gè)可逆反應(yīng)就存在平衡常數(shù)”這一問(wèn)題仍然感到困惑。如果從瞬時(shí)速率角度來(lái)理解，便可以在一定程度上解開學(xué)生的疑惑。比如對(duì)于化學(xué)反應(yīng)[a]A（g）+[b]B（g）? [c]C（g），由于在平衡態(tài)時(shí)[v]正=[v]逆，即[k]正·[c][a]（A）·[cb]（B）=[k]逆·[cc]（C），可得K=[cc]（C）/[[ca]（A）·[cb]（B）]=[k]正/[k]逆。當(dāng)溫度一定時(shí)，[k]正、[k]逆均為定值，因此可推導(dǎo)出二者的比值即K值也必定為定值。對(duì)于特定的可逆反應(yīng)，由于[k]正、[k]逆只與溫度和活化能（催化劑）有關(guān)，且升溫，吸熱方向的速率常數(shù)增大更多，使用（正）催化劑，正、逆速率常數(shù)同等程度增大，在這些結(jié)論的基礎(chǔ)上，還可以進(jìn)一步理解，為什么一個(gè)可逆反應(yīng)平衡常數(shù)K的大小只與溫度有關(guān)，以及為什么正向反應(yīng)為放熱反應(yīng)時(shí)，升高溫度、K減小，反之，正向反應(yīng)為吸熱反應(yīng)時(shí)，升高溫度、K增大。

由是觀之，在教學(xué)中即時(shí)引入瞬時(shí)速率的概念和公式，用定量的方式，分析和證明溫度、催化劑、濃度、壓強(qiáng)等對(duì)正、逆反應(yīng)速率的影響，對(duì)平衡移動(dòng)的影響，以及平衡常數(shù)的形成原因和影響因素，可以起到一舉多得的作用。不僅如此，學(xué)生還可以進(jìn)一步利用瞬時(shí)速率公式推理解決有關(guān)速率與平衡的一系列衍生問(wèn)題。引入瞬時(shí)速率概念，既有利于學(xué)生深度理解相關(guān)知識(shí)、概念和理論，從而辨析清楚一些易混淆的知識(shí)，又可以有效地幫助學(xué)生構(gòu)建速率與平衡的內(nèi)在邏輯關(guān)系，形成變化與平衡的知識(shí)體系;同時(shí)還可以逐步引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)利用公式進(jìn)行數(shù)據(jù)推理和定量分析，形成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維;最終，有益于學(xué)生形成變化觀念與平衡思想，提高化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

（責(zé)編 白聰敏）