化學平衡在高中化學教學中的應用研究

摘要：“化學平衡”模塊是高中化學教學的重點和難點，概念抽象且試題復雜多變，是學生學習過程中的一大挑戰(zhàn).為了加深學生對化學平衡原理的理解，筆者以氨氣的合成反應為例，從氨氣合成反應原理出發(fā)，分析化學平衡知識在氨氣合成反應中的應用，并剖析氨氣的合成反應教學中存在的問題，提出化學平衡在高中化學教學中的具體應用策略.

關鍵詞：化學平衡；高中；化學；氨氣合成反應

中圖分類號：G632文獻標識碼：A文章編號：1008-0333（2025）09-0110-03

化學平衡作為高中化學的核心概念之一，既是聯系化學反應本質與實際生產的橋梁，也是培養(yǎng)學生科學思維的重要載體.《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》明確將“變化觀念與平衡思想”列為化學核心素養(yǎng)，要求學生從動態(tài)視角理解化學反應的限度與調控過程.然而，在教學實踐中，學生普遍面臨兩大困境：其一，將平衡狀態(tài)誤解為靜態(tài)，忽視正逆反應的動態(tài)平衡本質；其二，機械套用勒夏特列原理，無法解釋工業(yè)生產條件與理論的矛盾.以氨氣的合成反應為例，其既是典型的可逆反應模型，又涉及濃度、壓強、溫度等多因素，是開展化學平衡教學的理想范例.

1基于化學平衡的氨氣合成反應教學分析

1.1氨氣合成反應原理剖析

氨氣合成反應（N2+3H22NH3，ΔH=-92.4kJ/mol）作為高中化學中化學平衡理論的重要載體，兼具顯著的理論深度與實踐價值.從反應原理看，其可逆性體現了動態(tài)平衡的本質——正逆反應速率相等時體系達到穩(wěn)定狀態(tài)，而非靜止不動；熱效應表明該反應為放熱過程，需結合溫度對平衡常數的影響（K=4.1×105298K，隨溫度升高而減小）；反應限度則是指通過平衡常數的定量描述，為分析工業(yè)產率提供理論依據.這些核心概念共同構成氨氣合成反應教學內容的基礎框架[1].

1.2化學平衡知識在氨氣合成中的應用

在氨氣合成反應中，化學平衡知識主要用于判定平衡狀態(tài)、判斷移動方向、優(yōu)化反應條件.首先，利用平衡常數與濃度商（Q）的比，判斷反應進行的程度，如當Qlt;K時向正向移動，與此相關的教學知識為注射器壓強實驗；其次，利用勒夏特列原理分析濃度、壓強、溫度、顏色等條件對平衡的影響方向，如增大壓強促使平衡向氣體體積減小的方向移動（合成氨中加壓使平衡右移），與此相關的知識點為顯色實驗；最后，結合工業(yè)生產需求，權衡反應速率與平衡轉化率，優(yōu)化反應條件，盡管高溫不利于放熱反應的平衡，但為提高催化劑活性及反應速率，工業(yè)生產仍選擇500℃的溫度并采用鐵基催化劑，與此相關的知識點為哈伯法工藝參數.

1.3氨氣合成反應教學中存在的問題

學生常將平衡狀態(tài)誤解為靜態(tài)終點，忽視正逆反應的持續(xù)性過程，導致無法理解動態(tài)平衡的微觀本質；在應用勒夏特列原理時，一些學生機械地記憶“濃度增則向正反應移動”的結論，難以解釋復雜情境（如催化劑的作用機制或工業(yè)條件的反直覺選擇）.以合成氨的“高溫高壓”條件為例，學生普遍困惑于為何放熱反應需升溫、高壓等條件（雖利于產率卻增加設備成本），反映出學生缺失對熱力學與動力學矛盾的調和能力.上述問題不僅不利于學生內化知識，更削弱了學生對化學平衡理論解決實際問題價值的感知[2].

2化學平衡在高中化學教學中的應用策略

2.1明確教學目標

化學平衡是高中化學學科中一個極為關鍵且抽象的概念，貫穿于諸多化學反應體系中.清晰、準確且具有針對性的教學目標，可以為學生明確化學平衡的重點和預期學習成果，從而更有目的地參與學習過程，主動構建化學平衡知識體系[3].

在氨氣合成反應這一具體情境的教學中，教師應該設置以下目標：學生理解氨氣合成反應這一可逆反應的本質，精準把握化學平衡狀態(tài)在該反應中的具體體現，清晰認識正逆反應速率相等與各物質濃度不變之間的內在聯系；學生掌握化學平衡常數判斷氨氣合成反應進行程度的方法，領會平衡常數與反應限度、反應物轉化率之間的關系，并利用相關公式進行推理和計算；學生能夠經歷提出問題、作出假設、設計實驗、收集證據、分析論證的全過程，探討溫度、壓強、濃度等條件對氨氣合成反應平衡的影響，提升科學探究能力和科學思維能力；學生從氨氣合成反應的案例中歸納總結化學平衡移動的一般規(guī)律，提升知識遷移能力和抽象概括能力；學生理解氨氣合成反應在工業(yè)生產中的重要意義，以及化學平衡原理對優(yōu)化反應條件、提高生產效率的關鍵作用，體會化學知識與實際生產、生活的緊密聯系，激發(fā)對化學學科的學習興趣和探索熱情，培養(yǎng)嚴謹的科學態(tài)度和勇于創(chuàng)新的精神，增強社會責任感和使命感.

2.2情境導入主題

教學情境的創(chuàng)設需以教學目標為導向，服務于化學平衡理論應用價值的挖掘.在“化學平衡”主題教學中，教師可以設計具有現實意義的問題鏈，強化學生對“平衡狀態(tài)是動態(tài)過程”這一核心概念的認知[4].具體實施中，教師需以真實情境為載體，構建多層次問題框架：首先，教師呈現合成氨反應的工業(yè)流程圖，強調反應條件（高溫、高壓、催化劑）與理論平衡的矛盾；其次，教師模擬動態(tài)的數據變化（如不同溫度下平衡常數的變化曲線），引導學生發(fā)現“溫度升高雖不利于放熱反應，卻是實際工藝必需”的反直覺現象；最后，教師提出開放性問題：若將反應器從密閉改為半開放系統(tǒng)，會對平衡產生何種影響？這個問題通過串聯“宏觀現象—微觀機制—定量分析”，促使學生在情境中自發(fā)調用平衡常數、勒夏特列原理等知識，實現從“被動接受”到“主動建構”的思維躍遷.

2.3系統(tǒng)講解知識

教師要以學生認知發(fā)展規(guī)律為線索，以氨氣合成反應為載體，構建“宏觀現象—微觀機制—定量模型—實際應用”的邏輯鏈條.通過動態(tài)平衡的具象化分析，幫助學生突破“靜態(tài)平衡迷思”；通過平衡常數的推導與遷移，強化學生“定量判斷優(yōu)于定性描述”的學科思維；通過工業(yè)條件的反直覺選擇，培養(yǎng)學生“理論指導實踐”的科學態(tài)度.

首先，從宏觀現象到微觀本質的遞進.教師以合成氨反應的“可逆性”為切入點，引導學生觀察濃度隨時間變化的動態(tài)過程（如c-t圖像中氨氣濃度的先增后穩(wěn)），通過分子碰撞理論闡釋正逆反應速率相等的微觀機制.例如，利用動畫演示氮氣、氫氣分子與氨分子間的碰撞頻率差異，說明為何達到平衡時“正逆反應未停止，但宏觀濃度恒定”.其次，定量模型的構建與遷移.教師以合成氨反應為核心，通過實驗數據推導出濃度商（Q）與平衡常數（K）的關系.例如，展示不同溫度下合成氨的平衡常數變化（K1=4.1×105298K→K2=0.5×105500K），幫助學生理解K值反映的“反應限度本質”.同時，強調平衡常數的“溫度敏感性”——高溫雖降低K值（不利產率），但可加速反應速率，這一矛盾正是工業(yè)選擇“500℃+催化劑”的理論依據.再次，工業(yè)條件的辯證分析.教師結合勒夏特列原理，引導學生構建“多因素協同決策”思維模型.例如，分析合成氨時“高壓促進正反應”的定量依據（氣體體積差為3，加壓使平衡右移）；通過催化劑對活化能的影響，解釋工業(yè)生產中不依賴低溫的原因.此處需設計遞進式問題鏈：若僅考慮平衡常數，為何低溫更優(yōu)？若兼顧反應速率，為何高溫成為必要？最終通過“權衡模型”（產率×速率×成本）闡明工業(yè)條件的合理性.最后，知識網絡的系統(tǒng)化整合.教師將分散的“濃度、壓強、溫度”調控策略整合為統(tǒng)一框架.例如，通過對比合成氨與二氧化硫催化氧化制硫酸的反應（氣體體積差分別為-2和+1），總結“氣體體積差方向決定壓強調控優(yōu)先級”的一般規(guī)律；通過引入電化學合成氨的前沿技術，延伸平衡理論在新能源領域的應用價值.

2.4引導實驗探究

實驗探究是突破化學平衡教學難點、培養(yǎng)學生科學素養(yǎng)的關鍵路徑.教師要設計遞進式實驗序列，將抽象的平衡理論轉化為可觀測的實驗現象，通過實驗現象幫助學生理解平衡移動的本質規(guī)律.首先，實驗需緊扣核心矛盾，即以濃度、壓強、溫度對平衡的影響為核心探究方向，選擇具有典型特征的實驗體系.例如，利用Fe3+與SCN-的顯色反應探究濃度變化對平衡的影響時，教師先引導學生觀察溶液顏色變化，再通過添加Fe粉或SCN-溶液引發(fā)濃度擾動，分析顏色深淺的動態(tài)變化.在此過程中，教師強調“濃度改變→正逆反應速率失衡→Q與K偏離→平衡移動”的邏輯鏈，幫助學生理解實驗現象背后的理論依據.其次，壓強實驗需強化定量關聯.在NO2與N2O4的平衡體系中，通過注射器體積變化模擬壓強改變，觀察氣體顏色變化.教師引導學生建立“壓強→氣體濃度→反應速率→平衡移動”的定量關系模型.再次，溫度實驗需凸顯理論突破.溫度對平衡常數的影響實驗可通過NO2分解反應的變色現象展開.教師需設計對比實驗：一組加熱另一組冷卻，觀察顏色變化趨勢.通過分析實驗數據（如升溫后顏色加深、降溫后顏色變淺），引導學生推導出“溫度升高使放熱反應平衡逆向移動”的結論，并結合平衡常數表達式（K與溫度呈指數關系）建立定量模型.此環(huán)節(jié)需強調溫度對反應速率與平衡常數的雙重影響，避免學生混淆“升溫加快反應速率”與“升溫改變平衡位置”的邏輯.最后，實驗總結需回歸工業(yè)應用.在完成系列實驗后，教師引導學生以合成氨反應為案例，綜合分析濃度、壓強、溫度的實際調控策略.例如，通過實驗數據對比，學生解釋工業(yè)生產選擇“500℃+高壓”條件的原因，理解“動力學優(yōu)化（催化劑加速反應）與熱力學平衡（高壓提高產率）的協同作用”.這一過程需貫穿“證據收集—模型構建—實際應用”的探究主線，強化學生的科學探究能力與社會責任意識.

3結束語

綜上所述，化學平衡知識在氨氣的合成反應的教學中有著豐富的應用.教師通過對氨氣合成反應原理的剖析，針對教學過程中存在的問題，提出明確教學目標、情境導入、系統(tǒng)講解知識、引導實驗探究等策略，不僅有助于學生克服對化學平衡知識的理解誤區(qū)，還能提升學生的化學學科核心素養(yǎng)，使學生學會運用化學平衡的思維解決實際問題.在教學中，教師應該持續(xù)關注學生在化學平衡知識學習過程中的困難和需求，不斷優(yōu)化教學方法和策略，使化學平衡概念在高中化學教學中發(fā)揮更大的作用，為學生的學習和發(fā)展打下基礎.

參考文獻：

［1］全微雷，王祖浩，竺麗英.視覺表征在化學平衡移動教學中的應用[J].化學教育（中英文），2024，45（09）：47-53.

［2］常明，邵川華，王祖浩.“化學平衡影響因素”的教學邏輯研究：基于36篇教學設計的文獻分析[J].化學教學，2023（09）：13-19.

［3］邵利民.化學平衡定量解析的三種手段：化學性質、數學證明和實例驗證[J].化學教育（中英文），2023，44（14）：111-118.

［4］楊杰，曾承輝，陳義旺.促進化學學科能力發(fā)展的化學平衡教學實驗設計：三價鐵離子與碘離子的反應[J].化學教育（中英文），2023，44（13）：101-106.

［責任編輯：季春陽］

收稿日期：2024-12-25

作者簡介：楊榮，本科，中學二級教師，從事高中化學教學研究.