指向化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展的單元整體教學(xué)設(shè)計(jì)

蔡敬華

［摘 要］文章基于學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展需要，根據(jù)人教版選擇性必修教材對(duì)“化學(xué)平衡”的內(nèi)容選擇、編排順序和呈現(xiàn)方式，從學(xué)生的學(xué)習(xí)實(shí)際出發(fā)，結(jié)合學(xué)生的認(rèn)識(shí)發(fā)展特點(diǎn)，從工業(yè)合成氨中化學(xué)平衡狀態(tài)的特征、化學(xué)平衡常數(shù)及其應(yīng)用、化學(xué)平衡的影響因素三個(gè)內(nèi)容展開教學(xué)設(shè)計(jì)，實(shí)施指向核心素養(yǎng)發(fā)展的“化學(xué)平衡”單元整體教學(xué)，并歸結(jié)教學(xué)反思。通過本單元內(nèi)容的教學(xué)，使學(xué)生的變化觀念與平衡思想、證據(jù)推理與模型認(rèn)知、科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)、科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任等學(xué)科核心素養(yǎng)得到進(jìn)一步發(fā)展。

［關(guān)鍵詞］ 化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)；單元整體教學(xué)；化學(xué)平衡；教學(xué)設(shè)計(jì)

［中圖分類號(hào)］??? G633.8??????? ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］??? A??????? ［文章編號(hào)］??? 1674-6058（2024）14-0070-07

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》中指出：學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展是一個(gè)持續(xù)進(jìn)步的過程，因此，教師應(yīng)依據(jù)化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的內(nèi)涵及其發(fā)展水平、高中化學(xué)課程目標(biāo)、高中化學(xué)課程內(nèi)容及學(xué)業(yè)質(zhì)量要求（包括學(xué)業(yè)要求和學(xué)業(yè)質(zhì)量水平），結(jié)合學(xué)生已有經(jīng)驗(yàn)，對(duì)學(xué)段、模塊或主題、單元和課時(shí)教學(xué)目標(biāo)進(jìn)行整體規(guī)劃和設(shè)計(jì)［1］。做好單元教學(xué)設(shè)計(jì)，不僅能使教師更好地解讀教材，按照學(xué)習(xí)進(jìn)階設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)內(nèi)容，把握教學(xué)內(nèi)容的深度和廣度，而且能使學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中對(duì)知識(shí)有系統(tǒng)的理解和認(rèn)識(shí)，學(xué)會(huì)尋找知識(shí)點(diǎn)間的關(guān)系，建立系統(tǒng)的知識(shí)體系。

單元整體教學(xué)設(shè)計(jì)是在充分的學(xué)情分析的基礎(chǔ)上，對(duì)單元教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行的整體設(shè)計(jì)，它需對(duì)單元教學(xué)內(nèi)容的地位和作用、各知識(shí)點(diǎn)之間的結(jié)構(gòu)、體現(xiàn)的思想方法、完成學(xué)習(xí)任務(wù)需要的從屬知識(shí)技能、與本單元相關(guān)的知識(shí)和思想方法等進(jìn)行綜合分析［2］。

“化學(xué)平衡”是選擇性必修模塊基本概念、基本理論學(xué)習(xí)的中間環(huán)節(jié)，承擔(dān)著回顧、總結(jié)、深化前面所學(xué)知識(shí)和提升學(xué)生認(rèn)識(shí)化學(xué)研究及應(yīng)用價(jià)值的雙重任務(wù)；為培養(yǎng)學(xué)生分析、處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及從數(shù)據(jù)中獲得信息、總結(jié)規(guī)律的能力奠定基礎(chǔ)。同時(shí)，化學(xué)反應(yīng)的限度是認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)的一個(gè)必不可少的維度，化學(xué)平衡還與后續(xù)的電離平衡、水解平衡、沉淀溶解平衡等學(xué)習(xí)內(nèi)容有著密切的聯(lián)系，在選擇性必修模塊學(xué)習(xí)中起著承上啟下的作用。2020年修訂的新課標(biāo)對(duì)該主題的學(xué)業(yè)要求是：①能書寫平衡常數(shù)表達(dá)式，能進(jìn)行平衡常數(shù)、轉(zhuǎn)化率的簡(jiǎn)單計(jì)算，能利用平衡常數(shù)和濃度商的關(guān)系判斷化學(xué)反應(yīng)是否達(dá)到平衡及平衡移動(dòng)的方向。②能運(yùn)用濃度、壓強(qiáng)、溫度對(duì)化學(xué)平衡的影響規(guī)律，推測(cè)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［3］。

一、指向核心素養(yǎng)發(fā)展的單元整體教學(xué)分析

（一）單元知識(shí)內(nèi)容分析

人教版教材將本單元內(nèi)容分為三個(gè)部分：首先，延續(xù)必修中的可逆反應(yīng)的定性內(nèi)容，以工業(yè)合成氨這個(gè)可逆反應(yīng)為背景，通過對(duì)比正反應(yīng)和逆反應(yīng)最終到某個(gè)時(shí)刻各物質(zhì)的濃度不再改變，引出化學(xué)平衡狀態(tài)的客觀存在及定義。接著，提供一組數(shù)據(jù)，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷化學(xué)平衡常數(shù)模型建構(gòu)的過程，展示在確定溫度的可逆反應(yīng)中，按照不同比例投料發(fā)生反應(yīng)，達(dá)到平衡時(shí)濃度商是相等的，引出化學(xué)平衡常數(shù)的概念。然后，進(jìn)一步介紹化學(xué)平衡常數(shù)的意義，列出三段式進(jìn)行平衡轉(zhuǎn)化率、平衡濃度等物理量的計(jì)算。最后，通過分組實(shí)驗(yàn)探究，演繹推理出濃度、溫度、壓強(qiáng)對(duì)化學(xué)平衡狀態(tài)的影響，突出通過實(shí)驗(yàn)探究學(xué)習(xí)知識(shí)的方法，展示勒夏特列原理的模型建構(gòu)過程。本單元內(nèi)容框架如圖1所示。

（二）學(xué)情分析

在必修模塊學(xué)生建立了如下認(rèn)識(shí)：①了解了可逆反應(yīng)的含義。②認(rèn)識(shí)到化學(xué)反應(yīng)存在限度，知道了可逆反應(yīng)達(dá)到限度時(shí)即為化學(xué)平衡狀態(tài)，反應(yīng)的限度決定了反應(yīng)物在該條件下的最大轉(zhuǎn)化率。③認(rèn)識(shí)到化學(xué)平衡狀態(tài)受外界條件影響，體會(huì)了從限度和快慢兩個(gè)方面去認(rèn)識(shí)和調(diào)控化學(xué)反應(yīng)的重要性。必修階段并未討論外界條件對(duì)化學(xué)平衡的影響，學(xué)生僅能定性分析達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)化學(xué)反應(yīng)的特征，對(duì)化學(xué)平衡狀態(tài)的判斷還不夠清晰，存在一定的學(xué)習(xí)困難。此外，對(duì)選擇性必修模塊化學(xué)反應(yīng)速率知識(shí)的學(xué)習(xí)，也為本單元的學(xué)習(xí)奠定了基礎(chǔ)，其探究問題的思路和方法可以遷移至對(duì)本單元知識(shí)的學(xué)習(xí)中。

（三）單元教學(xué)目標(biāo)分析

1.以工業(yè)合成氨為例，通過對(duì)可逆反應(yīng)中有關(guān)物質(zhì)的濃度隨時(shí)間變化示意圖及正、逆反應(yīng)速率隨時(shí)間變化示意圖的分析，說明在可逆反應(yīng)中，當(dāng)正反應(yīng)速率和逆反應(yīng)速率相等，反應(yīng)物和生成物的濃度均保持不變的狀態(tài)就是化學(xué)平衡狀態(tài)，由此完成化學(xué)平衡狀態(tài)的建立，幫助學(xué)生建構(gòu)變化觀和平衡觀，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)化學(xué)學(xué)科的認(rèn)同，提升學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任感。

2.化學(xué)平衡常數(shù)是本單元教學(xué)的重點(diǎn)，也是下一章學(xué)習(xí)電離平衡常數(shù)、溶度積常數(shù)的基礎(chǔ)，因此要充分重視化學(xué)平衡常數(shù)的建構(gòu)過程。教學(xué)中要結(jié)合數(shù)據(jù)分析，建構(gòu)化學(xué)平衡常數(shù)的概念，定量認(rèn)識(shí)化學(xué)平衡狀態(tài)。通過設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)，提供數(shù)據(jù)引導(dǎo)學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)化學(xué)平衡常數(shù)表達(dá)式的過程，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注化學(xué)平衡常數(shù)與溫度的關(guān)系，歸納出利用平衡常數(shù)[K]分析問題的基本思路，如平衡時(shí)轉(zhuǎn)化率的計(jì)算，利用平衡常數(shù)[K]和濃度商[Q]的關(guān)系判斷化學(xué)反應(yīng)是否達(dá)到平衡及平衡移動(dòng)的方向等，培養(yǎng)學(xué)生的對(duì)比分析和數(shù)據(jù)處理能力、證據(jù)推理意識(shí)和模型認(rèn)知能力。

3.反應(yīng)條件對(duì)化學(xué)平衡的影響是本單元教學(xué)的難點(diǎn)，教學(xué)中要注意從獲取證據(jù)和應(yīng)用數(shù)據(jù)分析兩個(gè)方面進(jìn)行講解。通過實(shí)驗(yàn)探究，理解溫度、濃度、壓強(qiáng)等對(duì)化學(xué)平衡狀態(tài)的影響，進(jìn)一步建構(gòu)“化學(xué)變化是有條件的”這一學(xué)科觀念，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)。利用[K]和[Q]的關(guān)系，對(duì)具體的平衡體系進(jìn)行分析后，再次引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行總結(jié)歸納，提煉出依據(jù)[K]和[Q]的關(guān)系判斷平衡移動(dòng)方向的思維模型，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)推理意識(shí)和模型認(rèn)知能力。理解勒夏特列原理，能依據(jù)原理分析平衡移動(dòng)的方向，體會(huì)理論對(duì)實(shí)踐的指導(dǎo)作用。

二、單元整體教學(xué)設(shè)計(jì)思路

單元整體教學(xué)設(shè)計(jì)是基于學(xué)生的知識(shí)、技能和認(rèn)知發(fā)展特點(diǎn)，對(duì)教材單元知識(shí)的主要內(nèi)容，從整體上進(jìn)行統(tǒng)領(lǐng)和整合。由于對(duì)“化學(xué)平衡”內(nèi)容的學(xué)習(xí)是由淺入深、由表及里的過程，故將本單元教學(xué)設(shè)計(jì)為3個(gè)課時(shí)，分別圍繞化學(xué)平衡狀態(tài)的概念與特征、化學(xué)平衡常數(shù)及其應(yīng)用、化學(xué)平衡的影響因素三個(gè)內(nèi)容展開教學(xué)設(shè)計(jì)（如圖2），逐步揭開化學(xué)反應(yīng)限度的真實(shí)面紗。

三、單元整體教學(xué)實(shí)踐

（一）化學(xué)平衡狀態(tài)的概念與特征（課時(shí)1）

【環(huán)節(jié)1】創(chuàng)設(shè)工業(yè)合成氨的情境：氨氣在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位。隨著人類社會(huì)的發(fā)展和人口的不斷增長(zhǎng)，對(duì)糧食和化肥的需求不斷增長(zhǎng)，進(jìn)而對(duì)氨的需求量與日俱增。如何提高工業(yè)合成氨的效率呢？只要盡量提高化學(xué)反應(yīng)速率，生產(chǎn)效率就一定高嗎？提供N2與H2反應(yīng)前后各物質(zhì)的量數(shù)據(jù)資料（見表1）。

表1 N2與H2反應(yīng)前后各物質(zhì)的量

[各物質(zhì)的起始量/mol?? 充分反應(yīng)后各物質(zhì)的量/mol N2?? H2?? NH3?????? N2?? H2?? NH3?????? 5???? 15??? 0???? 3???? 9???? 4???? ]

引導(dǎo)學(xué)生閱讀與思考，進(jìn)而得出結(jié)論：合成氨反應(yīng)的原料無法轉(zhuǎn)化完全，只考慮加快反應(yīng)速率是不夠的，還需考慮如何盡可能多地將原料轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品，這就涉及化學(xué)反應(yīng)限度及化學(xué)平衡問題。

設(shè)計(jì)意圖：創(chuàng)設(shè)化學(xué)平衡狀態(tài)的真實(shí)情境，引入概念；增強(qiáng)學(xué)生對(duì)化學(xué)學(xué)科的認(rèn)同，提升學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任感。

【環(huán)節(jié)2】提出疑問：任何可逆反應(yīng)在一定條件下都存在反應(yīng)限度，達(dá)到反應(yīng)限度時(shí)反應(yīng)就停止了嗎？在一定條件下，往容積不變的密閉容器中充入N2和H2使其發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)中各物質(zhì)的濃度隨時(shí)間如何變化？正、逆反應(yīng)速率隨時(shí)間如何變化？引導(dǎo)學(xué)生分別繪制出相應(yīng)的濃度-時(shí)間圖和速率-時(shí)間圖（如圖3）。

當(dāng)充入的是NH3時(shí)，反應(yīng)中相應(yīng)的濃度-時(shí)間圖和速率-時(shí)間圖如圖4所示。

分析合成氨的可逆反應(yīng)，該反應(yīng)中包含正、逆兩個(gè)反應(yīng)，兩個(gè)反應(yīng)同時(shí)發(fā)生。當(dāng)正、逆反應(yīng)速率相等時(shí)，達(dá)到看似不變的表面靜止?fàn)顟B(tài)，但實(shí)際上反應(yīng)并未停止，一直在進(jìn)行中，這時(shí)的狀態(tài)，我們稱之為化學(xué)平衡狀態(tài)。達(dá)到化學(xué)平衡時(shí)，反應(yīng)達(dá)到該條件下物質(zhì)轉(zhuǎn)化的最大限度，即反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率達(dá)到最大值。[轉(zhuǎn)化率a=反應(yīng)物的減少量反應(yīng)物的起始量×100%]。根據(jù)N2與H2反應(yīng)前后各物質(zhì)的量數(shù)據(jù)資料，讓學(xué)生練習(xí)計(jì)算平衡時(shí)H2的轉(zhuǎn)化率。

設(shè)計(jì)意圖：通過對(duì)可逆反應(yīng)中有關(guān)物質(zhì)的濃度隨時(shí)間變化圖像及正、逆反應(yīng)速率隨時(shí)間變化圖像的分析，完成化學(xué)平衡狀態(tài)的建立，使學(xué)生形成變化觀和平衡觀。

【環(huán)節(jié)3】師生共同梳理與提煉化學(xué)平衡狀態(tài)的特點(diǎn)：①v（正）= v（逆）≠ 0，即任何一種物質(zhì)的生成速率等于其消耗速率；②各組分的質(zhì)量或濃度保持不變；③動(dòng)態(tài)平衡，即當(dāng)達(dá)到平衡時(shí)正、逆反應(yīng)仍在進(jìn)行；④聯(lián)系影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素（如濃度、壓強(qiáng)、溫度等），推斷改變這些因素就有可能改變化學(xué)平衡。

設(shè)計(jì)意圖：使學(xué)生理解和掌握化學(xué)平衡狀態(tài)的特征。

【環(huán)節(jié)4】化學(xué)平衡狀態(tài)的本質(zhì)特征是正反應(yīng)速率和逆反應(yīng)速率相等，這是判斷化學(xué)平衡狀態(tài)的根本標(biāo)志。由于v（正）=v（逆），平衡體系中各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)保持不變，所以一般情況下平衡體系的壓強(qiáng)、氣體密度、濃度等多種宏觀特征也保持不變，這些宏觀特征有時(shí)也可作為判斷化學(xué)平衡狀態(tài)的標(biāo)志。練習(xí)如何判斷一個(gè)可逆反應(yīng)是否達(dá)到了化學(xué)平衡狀態(tài)：一定溫度下，在容積不變的密閉容器中進(jìn)行合成氨反應(yīng)，以下哪些選項(xiàng)可以判斷為反應(yīng)已達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)？A.單位時(shí)間內(nèi)消耗a mol N2，同時(shí)生成2a mol NH3； B.H2消耗速率等于N2生成速率的3倍； C.容器內(nèi)的壓強(qiáng)不再變化； D.混合氣體的總質(zhì)量不再變化；E.混合氣體的密度不再變化；F.混合氣體的平均相對(duì)分子質(zhì)量不再變化。引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建化學(xué)平衡狀態(tài)判斷的方法模型：①“等”：正、逆反應(yīng)速率相等——同種物質(zhì)v正（A）=v逆（A）、不同種物質(zhì)v正（A）∶v逆（B）=a∶b（化學(xué)計(jì)量數(shù)之比）；②“定”：變量不變，關(guān)鍵是判斷某參數(shù)是不是變量。

設(shè)計(jì)意圖：通過加強(qiáng)練習(xí)，使學(xué)生掌握化學(xué)平衡狀態(tài)的本質(zhì)特征和定性分析達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)的判斷方法。

（二）化學(xué)平衡常數(shù)及其應(yīng)用（課時(shí)2）

有了第1課時(shí)的定性分析，如何讓學(xué)生從定量的角度認(rèn)識(shí)化學(xué)平衡狀態(tài)呢？為此，引入了化學(xué)平衡常數(shù)的內(nèi)容。

【環(huán)節(jié)1】提出問題引發(fā)思考：化學(xué)平衡的改變有規(guī)律可循嗎？不同的化學(xué)平衡狀態(tài)，反應(yīng)物和生成物的濃度之間有什么關(guān)系呢？接著，依次以表格形式（見表2至表4）提供在容積不變的密閉容器中，CO（g）+ H2O（g）?CO2（g）+ H2（g），H2（g）+ I2（g）?2HI（g），N2（g）+ 3H2（g）?2NH3（g）三個(gè)反應(yīng)的多組起始濃度、平衡濃度數(shù)據(jù)，探究這些反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，反應(yīng)物和生成物的濃度之間的關(guān)系。

學(xué)生通過計(jì)算得出CO（g）+ H2O（g）?CO2（g）+ H2（g）反應(yīng)中[c（CO2）·c（H2）c（CO）·c（H2O）]是定值。H2（g）+ I2（g）?2HI（g）反應(yīng)中[c（HI）c（H2）·c（I2）]不是定值；帶入了計(jì)量數(shù)后，[2c（HI）c（H2）·c（I2）]也不是定值；改變書寫形式得[c（HI）·c（HI）c（H2）·c（I2）]，即[c2（HI）c（H2）·c（I2）]，是定值。以此類推計(jì)算N2 + 3H2 ?2NH3達(dá)到平衡時(shí)[c2（NH3）c（N2）·c3（H2）]的數(shù)值，體驗(yàn)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)規(guī)律的過程，得出化學(xué)平衡常數(shù)[K]的表達(dá)式。

設(shè)計(jì)意圖：通過對(duì)多個(gè)平衡體系，多組不同起始濃度、平衡濃度數(shù)據(jù)的計(jì)算，提煉體系反應(yīng)物與生成物濃度之間的關(guān)系，體驗(yàn)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)規(guī)律的過程，培養(yǎng)學(xué)生的對(duì)比分析和數(shù)據(jù)處理能力。

【環(huán)節(jié)2】寫出可逆反應(yīng)N2（g）+ 3H2（g）?2NH3 （g），2NH3（g）?N2（g）+ 3H2（g），[12]N2（g）+ [32]H2（g）?NH3 （g）的平衡常數(shù)[K1]、[K2]、[K3]的表達(dá)式，并分析它們之間的關(guān)系；再寫出可逆反應(yīng)Fe3O4（s） + 4H2（g）?3Fe（s） + 4 H2O（g）的平衡常數(shù)的表達(dá)式，提煉書寫平衡常數(shù)表達(dá)式的注意事項(xiàng)。

以表格形式（見表5）給出在不同溫度下H2（g）+ I2（g）?2HI（g）的起始濃度、平衡常數(shù)數(shù)據(jù)，經(jīng)分析與思考后得出平衡常數(shù)不受濃度的影響，受溫度影響。接著提出疑問：體系壓強(qiáng)改變會(huì)影響平衡常數(shù)嗎？由前面分析可知，壓強(qiáng)改變可能會(huì)影響體系中的濃度，而濃度的改變不影響平衡常數(shù)，因此，壓強(qiáng)不影響平衡常數(shù)。

以表格形式（見表6）給出在相同溫度下生成不同鹵化氫反應(yīng)的平衡常數(shù)，經(jīng)分析與思考得出平衡常數(shù)的大小與反應(yīng)中物質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)，[K]越大，說明平衡體系中生成物所占的比例越大，正反應(yīng)進(jìn)行的程度越大，即反應(yīng)進(jìn)行得越完全，平衡時(shí)反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率越大。提醒學(xué)生注意：化學(xué)平衡常數(shù)的大小反映的是反應(yīng)進(jìn)行程度的大小，并不涉及反應(yīng)時(shí)間和反應(yīng)速率。例如，合成氨的反應(yīng)常溫下[K=5×108]，但化學(xué)反應(yīng)速率卻很小。

設(shè)計(jì)意圖：通過練習(xí)，使學(xué)生掌握書寫平衡常數(shù)表達(dá)式的注意事項(xiàng)；通過數(shù)據(jù)分析，使學(xué)生理解平衡常數(shù)與體系濃度、壓強(qiáng)、反應(yīng)物的性質(zhì)、溫度等的關(guān)系，明確影響化學(xué)平衡常數(shù)的因素。

【環(huán)節(jié)3】給出如下情境素材：工業(yè)上用一氧化碳與水蒸氣反應(yīng)制取H2的主要反應(yīng)為CO（g）+ H2O（g）?CO2（g）+ H2（g） ΔH < 0 。830 ℃時(shí)，0.2 mol/L的CO和0.3 mol/L的H2O發(fā)生上述反應(yīng)，達(dá)到平衡時(shí)[K=1.0]。圍繞這個(gè)情境，讓學(xué)生思考以下問題：①在830 ℃達(dá)到平衡時(shí)，H2和CO2的濃度分別是多少？CO的轉(zhuǎn)化率是多少？ ②其他條件不變，改變水蒸氣的濃度為3.00 mol/L，達(dá)到平衡時(shí)CO的轉(zhuǎn)化率是多少？③在830 ℃達(dá)到平衡時(shí)，其他條件不變，向體系中充入一定量的CO，平衡狀態(tài)是否發(fā)生變化？如果變化，平衡向哪個(gè)方向移動(dòng)？此時(shí)[K]是否發(fā)生變化？④為提高該反應(yīng)的產(chǎn)率，可以采取哪些措施？如果采用改變溫度的方法，[K]是否發(fā)生變化？如何變化？引導(dǎo)學(xué)生列出三段式計(jì)算平衡時(shí)反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率和各物質(zhì)的濃度，并歸納出利用[K]分析問題的基本思路：判斷反應(yīng)是否達(dá)到平衡或平衡移動(dòng)的方向，可通過比較該時(shí)刻濃度商[Q]與平衡常數(shù)[K]的大小來判斷。在同一溫度下，[Q=K]，處于平衡狀態(tài)；[QK]，向逆反應(yīng)方向進(jìn)行。

設(shè)計(jì)意圖：引入工業(yè)制氫的真實(shí)情境，通過練習(xí)運(yùn)用三段式方法，計(jì)算平衡時(shí)反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率，使學(xué)生初步掌握定量判斷反應(yīng)是否達(dá)到平衡及平衡移動(dòng)方向的方法，培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)推理意識(shí)和模型認(rèn)知能力。

（三）化學(xué)平衡的影響因素（課時(shí)3）

反應(yīng)N2（g）+ 3H2（g）?2NH3 （g）看起來十分簡(jiǎn)單，合成氨的工業(yè)化生產(chǎn)卻經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的發(fā)展過程，如今即使是在500 ℃和300 MPa條件下合成氨，平衡時(shí)混合物中氨的體積分?jǐn)?shù)也只有26.4%，轉(zhuǎn)化率仍不夠大。如何使化學(xué)平衡向人們需要的、有利的方向移動(dòng)？影響化學(xué)平衡移動(dòng)的因素有哪些？

【環(huán)節(jié)1】回顧上節(jié)課的內(nèi)容：化學(xué)平衡1（[Q=K]）→改變反應(yīng)條件 →不平衡（[Q≠K]）→一段時(shí)間后達(dá)到化學(xué)平衡2。由原有的平衡狀態(tài)達(dá)到新的平衡狀態(tài)的過程，叫作化學(xué)平衡的移動(dòng)。提問：改變哪些反應(yīng)條件可使[Q≠K]，從而改變平衡狀態(tài)呢？濃度商只與濃度有關(guān)，改變濃度，使[Q]發(fā)生改變；平衡常數(shù)只與溫度有關(guān)，改變溫度，使[K]發(fā)生改變。引導(dǎo)學(xué)生書寫可逆反應(yīng)mA（g） + nB（g）?pC（g） + qD（g）任意時(shí)刻濃度商的表達(dá)式[Q=cp（C）·cq（D）cm（A）·cn（B）]。

設(shè)計(jì)意圖：鞏固理解化學(xué)平衡移動(dòng)的概念，熟悉影響化學(xué)平衡移動(dòng)的因素，培養(yǎng)學(xué)生的演繹推理能力。

【環(huán)節(jié)2】（1）探究濃度對(duì)化學(xué)平衡的影響

從任意時(shí)刻濃度商的表達(dá)式可以得出：若其他條件不變，在平衡體系中增大反應(yīng)物的濃度，[Q]值變小，[QK]，反應(yīng)向逆反應(yīng)方向進(jìn)行才能重新達(dá)到平衡狀態(tài)。請(qǐng)基于反應(yīng)體系 Fe3+（黃色）+3SCN-（無色）?Fe（SCN）3（紅色）設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。該反應(yīng)可通過顏色變化得知平衡移動(dòng)的方向。提醒學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)需注意：當(dāng)反應(yīng)體系中包含多個(gè)變量時(shí)，要采用控制變量的方法，即只選擇一個(gè)變量，控制其他變量不變，這樣才能得到準(zhǔn)確的結(jié)果。如研究濃度對(duì)化學(xué)平衡的影響時(shí)，要控制體系的溫度、體積等保持不變。如何能保持溶液總體積基本不變，同時(shí)又能增加反應(yīng)物的濃度呢？學(xué)生思考后回答：可滴加飽和的FeCl3溶液或高濃度的KSCN溶液。如何減小反應(yīng)物的濃度呢？學(xué)生思考后回答：加入鐵粉或滴加濃NaOH溶液，降低Fe3+濃度。最后，讓學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并進(jìn)行操作，加以驗(yàn)證。

采用分組實(shí)驗(yàn)的方式（見表7），引導(dǎo)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行觀察和分析，得出結(jié)論。

對(duì)于K2Cr2O7的溶液中存在的平衡體系Cr2O[2-7]（橙色）+ H2O?2 CrO[2-4]（黃色）+ 2 H+，采取同樣的方法（見表8），探究當(dāng)其他條件不變時(shí)，增大或減小生成物的濃度，平衡移動(dòng)的方向。

（2）探究壓強(qiáng)對(duì)化學(xué)平衡的影響

在用注射器收集的平衡體系 2NO2（g，紅棕色）?N2O4（g，無色 ）中，通過壓縮或拉伸針筒會(huì)造成氣體體積的改變。體積改變時(shí)，體系中各物質(zhì)的濃度會(huì)發(fā)生怎樣的變化？濃度商會(huì)如何變化？化學(xué)平衡會(huì)如何移動(dòng)？師生共同分析和計(jì)算的過程如表9所示。

通過計(jì)算，[Q2=K/2]，即[Q2K]，平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象為混合氣體的顏色先變淺后變深。

開展分組實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行觀察和分析。由于混合氣體顏色變化快、時(shí)間短，不便于觀察，教師采用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)方式加以改進(jìn)，借助壓強(qiáng)傳感器采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)化成圖像直觀呈現(xiàn)壓強(qiáng)對(duì)平衡體系的影響，便于學(xué)生理解。操作如下：將針筒中的氣體由50 mL瞬間壓縮到25 mL，體系壓強(qiáng)瞬間增大，隨之減小，說明增大壓強(qiáng)，平衡向氣體體積減小的方向移動(dòng)；平衡后再將針筒瞬間拉回到50 mL，體系壓強(qiáng)瞬間減小，隨之增大，說明減小壓強(qiáng)，平衡向氣體體積增大的方向移動(dòng)，直至建立新平衡。

圖5

依據(jù)濃度商與平衡常數(shù)的大小關(guān)系推理可知，對(duì)于體系H2（g）+ I2（g）?2HI（g），由于反應(yīng)前后氣體物質(zhì)的總體積沒有變化（即反應(yīng)前后氣體計(jì)量數(shù)之和不變），改變壓強(qiáng)不能使化學(xué)平衡發(fā)生移動(dòng)。

固態(tài)或液態(tài)物質(zhì)的體積受壓強(qiáng)影響很小，可以忽略不計(jì)，因此當(dāng)平衡混合物中都是固態(tài)或液態(tài)物質(zhì)時(shí)，改變壓強(qiáng)，化學(xué)平衡一般不發(fā)生移動(dòng)。

（3）探究溫度對(duì)化學(xué)平衡的影響

在 2NO2（g，紅棕色）?N2O4（g，無色 ） ΔH=-56.9 kJ/mol體系中，正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，逆反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，用NO2和N2O4混合氣體平衡球設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，得出溫度對(duì)化學(xué)平衡影響的結(jié)論（見表10）。

（4）探究催化劑對(duì)化學(xué)平衡的影響

催化劑可以同等程度地改變正、逆反應(yīng)速率，因此對(duì)化學(xué)平衡移動(dòng)沒有影響，但可以改變反應(yīng)達(dá)到平衡所需要的時(shí)間。

設(shè)計(jì)意圖：先利用Q和K的關(guān)系進(jìn)行分析，后通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)分別探究濃度、溫度、壓強(qiáng)、催化劑對(duì)化學(xué)平衡的影響，使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中掌握控制變量法，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)。

【環(huán)節(jié)3】利用任意時(shí)刻濃度商的表達(dá)式以及Q與K的大小比較，師生共同整理歸納影響化學(xué)平衡移動(dòng)的因素和規(guī)律（見表11）。

如果改變影響平衡的一個(gè)因素（如溫度、壓強(qiáng)及參加反應(yīng)的物質(zhì)的濃度），平衡向減弱這種改變的方向移動(dòng)，這就是勒夏特列原理，也稱化學(xué)平衡移動(dòng)原理。通過以上實(shí)驗(yàn)探究不難發(fā)現(xiàn)，原理中只能“減弱”這種改變而不能“消除”這種改變。

利用化學(xué)平衡移動(dòng)原理，可以更加科學(xué)有效地調(diào)控和利用化學(xué)反應(yīng)，盡可能地讓化學(xué)反應(yīng)按照人們的需要進(jìn)行。請(qǐng)思考：對(duì)于合成氨的反應(yīng)N2（g）+ 3H2（g）?2NH3（g） ΔH=-92 kJ/mol，選擇哪些反應(yīng)條件可以增大氨氣的含量？

設(shè)計(jì)意圖：通過歸納、總結(jié)得出影響化學(xué)平衡移動(dòng)的因素和規(guī)律，理解勒夏特列原理，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)推理意識(shí)和模型認(rèn)知能力，讓學(xué)生體會(huì)到理論對(duì)實(shí)踐的指導(dǎo)作用。

四、教學(xué)反思

1.核心素養(yǎng)是學(xué)生能夠適應(yīng)終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力。作為課程的實(shí)施者，教師要從學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)出發(fā)，全面、整體地分析教材內(nèi)容，基于學(xué)生學(xué)習(xí)進(jìn)階、學(xué)科知識(shí)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，把教材中從屬于同一個(gè)學(xué)習(xí)主題的教學(xué)內(nèi)容，依照知識(shí)的邏輯結(jié)構(gòu)分層遞進(jìn)，相互滲透，組成完整的結(jié)構(gòu)單元。

2.化學(xué)是和生活密切相關(guān)的自然科學(xué)，課堂教學(xué)應(yīng)將化學(xué)知識(shí)置于真實(shí)的情境中，將化學(xué)知識(shí)與生活實(shí)際緊密聯(lián)系起來，強(qiáng)調(diào)化學(xué)在生產(chǎn)、生活和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展中的重要作用，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)以致用的意識(shí)和能力，使學(xué)生養(yǎng)成關(guān)心社會(huì)和生活實(shí)際的積極態(tài)度，增強(qiáng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感。

3.在教學(xué)過程中，教師要充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的視覺、聽覺和嗅覺等多種感官，使其積極參與課堂活動(dòng)。通過設(shè)置結(jié)構(gòu)性的學(xué)習(xí)任務(wù)和問題鏈，讓學(xué)生得到思考，學(xué)會(huì)推理、論證和建構(gòu)模型，并能夠質(zhì)疑創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)知識(shí)向素養(yǎng)的轉(zhuǎn)化［4］。

4.設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和科學(xué)探究能力，能夠多方面提升學(xué)生的核心素養(yǎng)。教師要引導(dǎo)學(xué)生選擇現(xiàn)象明顯的反應(yīng)，設(shè)計(jì)方案時(shí)注意控制單一變量，做好對(duì)照實(shí)驗(yàn)，以確保結(jié)果的可靠性。對(duì)于常規(guī)實(shí)驗(yàn)解決不了的探究性問題，可借助現(xiàn)代化傳感器技術(shù)，利用電腦自動(dòng)繪制的數(shù)據(jù)曲線，進(jìn)行比較、歸納和總結(jié)，進(jìn)而得到證據(jù)并得出結(jié)論。

［?? 參?? 考?? 文?? 獻(xiàn)?? ］

［1］［3］? 中華人民共和國(guó)教育部.普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)：2017年版2020年修訂［M］.北京：人民教育出版社， 2020.

［2］? 劉煥亮.基于學(xué)科核心素養(yǎng)的單元整體教學(xué)設(shè)計(jì)：以“物質(zhì)結(jié)構(gòu) 元素周期律”為例［J］.中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2019（19）：36-37.

［4］? 黃劍鋒，湯希雁.“素養(yǎng)為本”的化學(xué)教學(xué)設(shè)計(jì) ［M］.南寧：廣西人民出版社，2022.

（責(zé)任編輯??? 羅??? 艷）