濃度對化學(xué)平衡的影響主題式教學(xué)

梁丹蕾

摘 要：圍繞濃度對化學(xué)平衡的影響開展層層深入的主題式教學(xué)。首先利用實(shí)驗(yàn)探究和分析，從現(xiàn)象到本質(zhì)認(rèn)識濃度對化學(xué)平衡的影響。然后運(yùn)用濃度對化學(xué)平衡的影響知識，選擇工業(yè)合成氨的合適濃度配比，解決高考題，提升知識綜合運(yùn)用能力。通過層層遞進(jìn)的方式完成濃度對化學(xué)平衡的影響主題式教學(xué)。

關(guān)鍵詞：化學(xué)平衡;合成氨;濃度配比

濃度對化學(xué)平衡的影響這一主題主要位于人教版教材，選修4第二章第三節(jié)《化學(xué)平衡》?！镀胀ǜ咧谢瘜W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中“主題2：化學(xué)反應(yīng)的方向、限度和速率”對化學(xué)平衡移動(dòng)的內(nèi)容要求為：

（1）通過實(shí)驗(yàn)探究，了解濃度、壓強(qiáng)、溫度對化學(xué)平衡狀態(tài)的影響。

（2）必做實(shí)驗(yàn)探究影響化學(xué)平衡移動(dòng)的因素。

具體的學(xué)業(yè)要求為：

能運(yùn)用濃度、壓強(qiáng)、溫度對化學(xué)平衡的影響規(guī)律，推測平衡移動(dòng)方向及濃度、轉(zhuǎn)化率等相關(guān)物理量的變化，能討論化學(xué)反應(yīng)條件的選擇和優(yōu)化。

學(xué)習(xí)活動(dòng)建議：

（1）實(shí)驗(yàn)及探究活動(dòng)：濃度對氯化鐵與硫氰化鉀反應(yīng)平衡的影響;

（2）討論影響化學(xué)平衡因素的理論解釋，討論合成氨反應(yīng)條件的選擇。

根據(jù)《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》的要求，設(shè)計(jì)濃度對化學(xué)平衡的影響主題式教學(xué)，教師設(shè)計(jì)了三個(gè)環(huán)節(jié)，充分發(fā)揮學(xué)生主體作用，獲得知識，運(yùn)用知識，提高能力：知識的獲取→知識在生產(chǎn)中運(yùn)用→知識綜合運(yùn)用，能力提升。

環(huán)節(jié)一：實(shí)驗(yàn)探究與微觀探析，獲得濃度對化學(xué)平衡的影響結(jié)論。

教師備課過程中，通過分析山東版教材濃度對化學(xué)平衡的影響和江蘇版教材濃度對化學(xué)平衡的影響的設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)山東版教材使用的是Fe3+與SCN-反應(yīng)生成硫氰化鐵的實(shí)驗(yàn)，江蘇版教材使用的是Cr2O72-與2CrO42-互相轉(zhuǎn)化的實(shí)驗(yàn)。而人教版是兩個(gè)實(shí)驗(yàn)均有。針對這個(gè)問題引導(dǎo)學(xué)生分析課本設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的目的。（1）討論為什么課本設(shè)計(jì)Cr2O72-+H2O-?2CrO42-+2H+，F(xiàn)e3++SCN-?Fe（SCN）3兩個(gè)顏色變化的實(shí)驗(yàn)作為研究濃度對化學(xué)平衡的影響的實(shí)驗(yàn)。（2）討論實(shí)驗(yàn)2—5是如何實(shí)現(xiàn)改變生成物濃度的？實(shí)驗(yàn)2—6是如何實(shí)現(xiàn)改變反應(yīng)物的濃度的？

學(xué)生通過閱讀、思考、分析得出分別設(shè)置兩個(gè)顏色變化的試管實(shí)驗(yàn)的目的：首先有顏色變化的實(shí)驗(yàn)，更有利于從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象觀察到平衡的移動(dòng)。再者實(shí)驗(yàn)2—5代表改變生成物濃度對化學(xué)平衡移動(dòng)的影響;實(shí)驗(yàn)2—6代表改變反應(yīng)物濃度對化學(xué)平衡移動(dòng)的影響。從反應(yīng)物、生成物濃度變化兩個(gè)角度，動(dòng)態(tài)地分析化學(xué)變化。

學(xué)生明確實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的目的后，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作驗(yàn)證。通過觀察明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，認(rèn)識到可逆反應(yīng)的化學(xué)變化限度是可以調(diào)控的。學(xué)生分析改變濃度是通過加入不同濃度的反應(yīng)物或者生成物，或者消耗反應(yīng)物、生成物來實(shí)現(xiàn)。體現(xiàn)變化觀念和平衡思想的學(xué)科核心素養(yǎng)。

學(xué)生基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果獲得結(jié)論：改變反應(yīng)物或者生成物的濃度，化學(xué)平衡會(huì)發(fā)生移動(dòng)。學(xué)生分析該現(xiàn)象的本質(zhì)是：增大反應(yīng)物濃度，正反應(yīng)速率明顯加快，逆反應(yīng)速率不變，平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng);增大生成物濃度，逆反應(yīng)速率明顯加快，正反應(yīng)速率不變，平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)。作出速率時(shí)間圖，學(xué)生進(jìn)一步掌握濃度對化學(xué)平衡的影響方式。

引導(dǎo)學(xué)生更深入探究，在Fe3++SCN-?Fe（SCN）3反應(yīng)中，增大SCN-離子濃度，不單只是平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，還會(huì)使Fe3+轉(zhuǎn)化率提高。這在生產(chǎn)應(yīng)用中可以通過增加一種反應(yīng)物濃度，提高另一種原料的利用率。在Cr2O72-+H2O-?2CrO42-+2H+反應(yīng)中，消耗氫離子從而降低生成物氫離子濃度，溶液顏色會(huì)變成黃色。因?yàn)槌壬腃r2O72-轉(zhuǎn)化率提高，黃色的CrO42-生成物產(chǎn)率提高，平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)。這在生產(chǎn)中，可以通過及時(shí)轉(zhuǎn)移生成物達(dá)成提高原料的轉(zhuǎn)化率或者是產(chǎn)品的產(chǎn)率。

由實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，學(xué)生獲得濃度對化學(xué)平衡影響到規(guī)律。同時(shí)認(rèn)識到實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)現(xiàn)象明顯的實(shí)驗(yàn)是為了更便于觀察，獲得結(jié)論。結(jié)論可以用于指導(dǎo)解決實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中的問題。

環(huán)節(jié)二：工業(yè)合成氨中，各物質(zhì)濃度配比的選擇，體現(xiàn)濃度對化學(xué)平衡影響結(jié)論的運(yùn)用。

在化工生產(chǎn)中往往不是以明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象作為判斷標(biāo)準(zhǔn)，因此要有對起始濃度或者說投料濃度配比的研究。開展實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)探究是為了使用有明顯的宏觀現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究獲得理論知識，從而指導(dǎo)生產(chǎn)的。工業(yè)合成氨是中學(xué)最常運(yùn)用的實(shí)際生產(chǎn)例子。以工業(yè)合成氨為例：N2（g）+3H2（g）2NH3（g），引導(dǎo)學(xué)生分析工業(yè)合成氨的方程式，按方程式反應(yīng)物的比例，找到理論上工業(yè)合成氨的氮?dú)馀c氫氣最佳投料濃度比為1：3。

進(jìn)一步給出工業(yè)合成氨的速率方程，反應(yīng)速率與參與反應(yīng)的物質(zhì)的濃度存在如下關(guān)系式：v=kc（N2）c1.5（H2）c-1（NH3）。

學(xué)生通過觀察以上關(guān)系式，選擇合適的氮?dú)?，氫氣，氨氣的濃度配比。由反?yīng)速率與參與反應(yīng)的物質(zhì)濃度關(guān)系可知，合成氨反應(yīng)的速率與氮?dú)鉂舛鹊?次方成正比，與氫氣濃度的1.5次方成正比，與氨氣濃度的1次方成反比。在反應(yīng)過程中，隨著氨氣濃度的增大，反應(yīng)速率會(huì)逐漸降低，因此學(xué)生需要作出判斷，從反應(yīng)速率的角度來看，為了降低逆反應(yīng)的反應(yīng)速率，應(yīng)在反應(yīng)過程中將氨從混合氣體中分離出去。從化學(xué)平衡的角度來看，將氨從混合氣體分離出，即降低生成物濃度，也與降低生成物濃度平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)吻合。

通過工業(yè)合成氨，對生成產(chǎn)物氨的處理，在真實(shí)情境中運(yùn)用了降低生成物濃度對化學(xué)平衡的影響。在生產(chǎn)中，速率和平衡的綜合考慮，提高了學(xué)生知識的綜合運(yùn)用能力。

速率方程的引入，開拓了學(xué)生的視野，能讓學(xué)生對化學(xué)平衡的探究在速率和平衡兩個(gè)方面綜合考慮。在《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）解讀》，第129頁中提道：在當(dāng)前的教學(xué)中，往往會(huì)用反應(yīng)速率來解釋反應(yīng)或者平衡的方向以及反應(yīng)的限度，但這與事實(shí)并不完全吻合。例如CO+NO2=CO2+NO，該反應(yīng)的速率方程為v=kc（NO2），反應(yīng)速率只與NO2的濃度c（NO2）有關(guān);當(dāng)增大c（NO2）時(shí)的確可以增大正反應(yīng)速率，但增大c（CO）時(shí)，正反應(yīng)速率并沒有增加。再如，SO2+1/2O2?S03，該反應(yīng)的速率方程為v=kp（O2）p-1（SO2），若只增大SO2的分壓，正反應(yīng)速率反而減慢。由此《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）解讀》建議分清熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)的范圍，不要將熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)混淆使用。在2017版的課標(biāo)中調(diào)換了反應(yīng)速率和反應(yīng)方向、反應(yīng)限度的編排順序，將反應(yīng)方向和反應(yīng)限度，置于反應(yīng)速率之前，用于修正了教學(xué)中常見的偏差認(rèn)識。

環(huán)節(jié)三：綜合運(yùn)用濃度對化學(xué)平衡的影響，解決高考題中的問題，提升能力。

下面以教學(xué)中引用的兩道高考題為例，闡述指導(dǎo)學(xué)生用濃度對化學(xué)平衡的影響知識解決高考題中的問題。

例題一：（2019新課標(biāo)Ⅲ節(jié)選）（1）Deacon發(fā)明的直接氧化法為：4HCl（g）+O2（g）=2Cl2（g）+2H2O（g）。剛性容器中，進(jìn)料濃度比c（HCl）：c（O2）分別等于1∶1，4∶1，7∶1。按化學(xué)計(jì)量比進(jìn)料可以保持反應(yīng)物高轉(zhuǎn)化率，同時(shí)降低產(chǎn)物分離的能耗。進(jìn)料濃度比c（HCl）：c（O2）過低、過高的不利影響分別是;;;; 。

解釋：進(jìn)料濃度比過低，氧氣大量剩余，導(dǎo)致分離產(chǎn)物氯氣和氧氣的能耗較高;進(jìn)料濃度比過高，HCl不能充分反應(yīng)，導(dǎo)致HCl轉(zhuǎn)化率較低。

該高考試題在生產(chǎn)中最優(yōu)濃度配比的選擇考察中，把濃度對化學(xué)平衡的影響轉(zhuǎn)化成進(jìn)料濃度配比作為考察方式。實(shí)際生產(chǎn)的操作與課本所學(xué)的理論知識相結(jié)合，如果學(xué)生在濃度對化學(xué)平衡的影響知識生成環(huán)節(jié)中，很好地理解反應(yīng)物濃度與投料配比的關(guān)系，解決這類問題就很輕巧了。

例題二：（2014年全國乙卷28題節(jié)選）乙烯氣相直接水合法反應(yīng)C2H4（g）+H2O=C2H5OH（g）

（3）氣相直接水合法常采用的工藝條件為：磷酸/硅藻土為催化劑，反應(yīng)溫度290℃、壓強(qiáng)6.9MPa，nH2O：nC2H4=0.6：1。乙烯的轉(zhuǎn)化率為5%，若要進(jìn)一步提高乙烯轉(zhuǎn)化率，除了可以適當(dāng)改變反應(yīng)溫度和壓強(qiáng)外，還可以采用的措施有;;、;;。

解釋：根據(jù)化學(xué)平衡以及外界因素對平衡移動(dòng)的影響，可以采取的措施還有將產(chǎn)物乙醇通過液化移去、增加nH2O：nC2H4比等等，使化學(xué)平衡進(jìn)一步向生成產(chǎn)物的方向移動(dòng)。

該高考題旨在考查產(chǎn)物濃度對化學(xué)平衡的影響，在增加一種反應(yīng)物濃度，提高另外一種反應(yīng)物濃度的考察時(shí)，也轉(zhuǎn)化成了進(jìn)料濃度配比作為考察方式?？梢娨龑?dǎo)學(xué)生把所學(xué)的知識與化工生產(chǎn)聯(lián)系十分重要。

通過三個(gè)環(huán)節(jié)的層層遞進(jìn)，進(jìn)行濃度對化學(xué)平衡的影響主題式教學(xué)，對學(xué)生掌握知識，運(yùn)用知識，提高知識的綜合運(yùn)用能力是非常有意義的。

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