化學(xué)平衡原理在高三元素化合物復(fù)習(xí)中的應(yīng)用

◇ 福建 柯麗明

(作者單位:福建省南安市僑光中學(xué))

基于“一核四層四翼”的高考評價(jià)體系命題要求,近幾年高考化學(xué)試題不再考查知識的再現(xiàn),而是注重知識的應(yīng)用,體現(xiàn)學(xué)科的價(jià)值.元素及其化合物的性質(zhì)是中學(xué)化學(xué)學(xué)科的主干知識,承載著考查化學(xué)基本概念、基本理論、化學(xué)實(shí)驗(yàn)、化學(xué)計(jì)算等的功能.在高考化學(xué)試題中,從選擇題到主觀題,元素及其化合物的影子無處不在,但均作為其他考點(diǎn)的載體,并非獨(dú)立考查.要解答好這類試題,就必須靈活運(yùn)用元素化合物知識與化學(xué)反應(yīng)原理知識.因此高三復(fù)習(xí)時(shí),教師要滲透化學(xué)反應(yīng)原理,有助于元素化合物知識與化學(xué)反應(yīng)原理知識間的融會(huì)貫通、相互印證,從而提高復(fù)習(xí)效率.

1 高三復(fù)習(xí)中常遇到的關(guān)于元素化合物知識的問題

1.1 學(xué)生存在的問題案例

之所以會(huì)出現(xiàn)這樣的狀況,是因?yàn)閷W(xué)生只是機(jī)械地記憶知識,把元素化合物知識與化學(xué)反應(yīng)原理割裂開來,沒有厘清知識的內(nèi)在因素與外在表現(xiàn)之間的關(guān)系.

1.2 教學(xué)過程中遇到的反規(guī)律案例

H2S＋CuSO4＝CuS↓＋H2SO4和SiO2＋2C＝Si＋2CO↑這兩個(gè)反應(yīng)顯示出“弱酸制強(qiáng)酸”和“弱還原劑制強(qiáng)還原劑”.

如果教師把這些反應(yīng)簡單歸為特殊反應(yīng),那么就會(huì)把書“越教越厚”,而學(xué)生對化學(xué)反應(yīng)的認(rèn)識將得不到更深層次的發(fā)展.因此,教師要挖掘“規(guī)律”與“反規(guī)律”背后的化學(xué)原理,用化學(xué)原理來解釋這些“反規(guī)律”的化學(xué)反應(yīng).

2 化學(xué)平衡原理在元素化合物復(fù)習(xí)中的應(yīng)用

中學(xué)涉及的平衡包括:化學(xué)平衡、電離平衡、水解平衡、沉淀溶解平衡.這四大平衡在解釋物質(zhì)的性質(zhì)、用途,除雜、氣體收集及物質(zhì)制備等方面有著諸多應(yīng)用.

2.1 化學(xué)平衡原理的定性應(yīng)用

1)物質(zhì)性質(zhì)與化學(xué)平衡

2)物質(zhì)用途與化學(xué)平衡

工業(yè)上用NH4Cl溶液除鐵銹,是由于NH4Cl溶液中存在水解平衡使溶液呈酸性;消防上用NaHCO3溶液和Al2(SO4)3溶液制作泡沫滅火器,是由于Al3＋和存在相互促進(jìn)的水解平衡,即OH－、Al3＋＋3H2O?Al(OH)3＋3H＋,從而產(chǎn)生大量的CO2氣體.

3)除雜及氣體收集與化學(xué)平衡

除去Cl2中的HCl和收集Cl2,可選用飽和NaCl溶液,是由于存在氣體溶解平衡:Cl2(g)?Cl2(aq)及化學(xué)平衡:Cl2(aq)＋H2O(l)?H＋(aq)＋Cl－(aq)＋HClO(aq);工業(yè)上除去溶液中混有的金屬離子,經(jīng)常通過調(diào)節(jié)溶液的pH 完成,這是運(yùn)用金屬離子發(fā)生水解使平衡移動(dòng)生成氫氧化物沉淀的原理.

4)物質(zhì)制備與化學(xué)平衡

由 MgCl2·6H2O 晶體制備無水 MgCl2時(shí)必須在HCl氣流中脫水,是由于存在水解平衡:MgCl2＋2H2O?Mg(OH)2＋2HCl,因此可以通過增大HCl氣體濃度抑制Mg2＋水解;NH3的制備,無論是選用銨鹽與堿共熱,還是將濃氨水滴入生石灰或NaOH 固體或堿石灰中,都是應(yīng)用平衡NH3＋H2O?NH3·不斷向左移動(dòng)的原理.

在一輪復(fù)習(xí)中,教師可引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用化學(xué)平衡原理解釋相關(guān)知識、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、構(gòu)建知識網(wǎng)絡(luò),從而大大提高復(fù)習(xí)效率.

【案例1】“鋁鹽及氫氧化物”復(fù)習(xí).

任務(wù)1:Al(OH)3是一種兩性氫氧化物,寫出Al(OH)3的電離方程式.

任務(wù)2:依據(jù)Al(OH)3的電離方程式和平衡移動(dòng)原理,設(shè)計(jì)3種制備Al(OH)3的實(shí)驗(yàn)方案,并寫出反應(yīng)的離子方程式.判斷哪一種方案原料的利用率最高?

任務(wù)3:依據(jù)Al(OH)3的電離方程式和平衡移動(dòng)原理,構(gòu)建的轉(zhuǎn)化網(wǎng).

任務(wù)4:明礬用于凈水的原理是什么? 研究表明,明礬凈水時(shí)加入適當(dāng)?shù)闹齽┠茉鰪?qiáng)凈水效果,以下物質(zhì)適合作助凝劑的是( ).

A.活性炭 B.Cl2

C.NaHCO3D.FeCl3

本案例運(yùn)用平衡移動(dòng)原理復(fù)習(xí)了“鋁鹽及氫氧化物”的重要性質(zhì),構(gòu)建出“鋁三角”轉(zhuǎn)化網(wǎng),并實(shí)現(xiàn)運(yùn)用平衡移動(dòng)原理解決元素化合物的實(shí)際問題,大大提高了復(fù)習(xí)的實(shí)效性.

2.2 化學(xué)平衡原理的定量應(yīng)用

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》明確提出“體會(huì)定量研究對化學(xué)科學(xué)發(fā)展的重要作用”的要求.定量思維是一種重要的化學(xué)學(xué)科思維,可以用數(shù)學(xué)知識來解決化學(xué)問題.當(dāng)用定性思維研究化學(xué)問題遇到瓶頸時(shí),我們可以考慮從定量思維的角度來研究.《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》在選擇性必修模塊1中也提出“了解濃度熵和化學(xué)平衡常數(shù)的相對大小與反應(yīng)進(jìn)行方向之間的聯(lián)系”的要求.化學(xué)平衡常數(shù)K 不僅可以用來衡量反應(yīng)進(jìn)行的限度,也可用于判斷化學(xué)反應(yīng)的方向.一般把K ＜10－5和K ＞105作為很難反應(yīng)和完全反應(yīng)的判據(jù).

復(fù)分解反應(yīng)中存在著一些“強(qiáng)制弱”規(guī)律,如溶解性大的物質(zhì)制取溶解性小的物質(zhì),較強(qiáng)酸制較弱酸,較強(qiáng)堿制較弱堿等.這些規(guī)律,事實(shí)上是上述化學(xué)原理的體現(xiàn).例如:

違反規(guī)律的“弱制強(qiáng)”的反應(yīng),如溶解性小的制溶解性大的、弱酸制強(qiáng)酸的反應(yīng),同樣遵循上述化學(xué)原理.

當(dāng)10－5＜K＜105時(shí)可通過增大濃度實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化,實(shí)際操作是使用飽和Na2CO3溶液多次處理BaSO4,使其轉(zhuǎn)化為BaCO3.

【案例2】(2019年全國卷Ⅲ,節(jié)選)高純硫酸錳作為合成鎳鈷錳三元正極材料的原料,工業(yè)上可由天然二氧化錳粉與硫化錳礦(還含 Fe、Al、Mg、Zn、Ni、Si等元素)制備,工藝如圖1所示.

圖1

寫出“沉錳”的離子方程式:_______.

通過定量計(jì)算來判斷化學(xué)反應(yīng)方向,可以將學(xué)生的思維由定性思維向更高階思維——定量思維發(fā)展,提升了對化學(xué)反應(yīng)的認(rèn)知水平.

3 將化學(xué)平衡原理應(yīng)用于元素化合物復(fù)習(xí)中的實(shí)踐效果

3.1 利于構(gòu)建知識網(wǎng)絡(luò)

網(wǎng)絡(luò)化、結(jié)構(gòu)化的知識是形成能力的前提.元素化合物這部分知識點(diǎn)多而雜,如果孤立地復(fù)習(xí)這部分知識,學(xué)生會(huì)“因多生亂”,易遺忘.將化學(xué)平衡原理應(yīng)用于元素化合物復(fù)習(xí),運(yùn)用原理解釋事實(shí)、分析原因,可將零散的知識串聯(lián)起來,有利于構(gòu)建知識網(wǎng)絡(luò),提高知識的綜合應(yīng)用能力.

3.2 提高解決問題能力

高考試題注重將學(xué)科內(nèi)容與國家經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展、科學(xué)進(jìn)步、生產(chǎn)生活等聯(lián)系起來,通過設(shè)置新穎的問題情境,考查學(xué)生靈活運(yùn)用所學(xué)知識解決實(shí)際問題的能力.面對陌生情境,學(xué)生須進(jìn)行“去情境化,提取化學(xué)問題”,再運(yùn)用化學(xué)基礎(chǔ)知識、化學(xué)基本理論和化學(xué)學(xué)科思維來解決真實(shí)問題.在元素化合物復(fù)習(xí)中,教師設(shè)置真實(shí)問題情境,運(yùn)用化學(xué)原理分析問題,再利用學(xué)科知識解決問題,提高學(xué)生解決問題的能力.