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化学平衡知识是化学基本理论的重要组成部分,也是学习电离平衡、盐类水解以及沉淀溶解平衡的基础。这部分内容理论性强,知识抽象,是化学教学的重点也是难点。在“化学平衡的移动”教学实践中,还存在一些疑难问题有待解决。
《化学反应原理》教材属于化学新课标选修体系,教学对象是对化学学习有兴趣并将升入大学理科的部分学生,故教材的深广度、编排方式有别于化学必修教材。笔者对比了三种版本高中教材关于“化学平衡的移动”的内容,发现教材之间有一定差异。如表1所示。
笔者注:[a]三版教材的相同之处:化学平衡移动方向的判断都引入勒夏特列原理进行总结。
[b]原文为:“改变反应条件时平衡状态的变化趋势,可以用正逆反应的消长来表述。如果有利于增大产物的比率,可以说成是平衡向右移动;反之亦然。”
三版高中化学教材,对“化学平衡移动方向判断方式”上均采用了直观教学手段。“温度、浓度”对化学平衡的影响运用具体实验形式的实物直观,而“压强”对化学平衡的影响则运用图表、数据等模像直观呈现。毫无疑问,三位主编的意图都是为了符合高中学生的认知结构和已有的学习经验,利于优化高中化学教与学。
三版高中教材在感性认识和理性分析的同时,并没有忽视定性分析和定量计算以及逻辑推理应用。这一点从引入原属于大学内容的“化学平衡常数”就不难发现。正如北京师范大学化学学院王明召教授所言,“从Qc与Kc比较的普遍性定量规律来分析平衡移动的方向问题,体现了新教材的科学性;将勒夏特列原理介绍为定性规律,用于定性判断,体现了新教材的实用性”。
由于教材版本不同,教师解读的差异会对实际教学产生影响吗?如何解决?笔者结合已经查阅的资料和例证,谈谈自己的观点,藉以抛砖引玉。
疑问一:速率—时间图像(v-t图)分析化学平衡移动是否适用?
三种版本教材中,只有人教版教材明确提出用条件改变后的“正、逆反应速率变化”来分析化学平衡移动方向。从教学实践看,v-t图分析化学平衡移动方向使用率仍很高。文献中提到 [1 ]:
化学平衡移动的过程:
原化学平衡(v正=v逆)→条件改变(v正≠v逆)→新化学平衡(v正=v′逆)
化学平衡移动的方向:条件改变,若v正>v逆,平衡向正反应方向移动;若v正< v逆,平衡向逆反应方向移动。因此,v-t图分析平衡移动方向是适用的。
疑问二:新化学平衡反应速率(v′)与原化学平衡反应速率(v)一定不等吗?
案例1 一定条件下,向一带活塞的密闭容器中充入2mol SO2和1mol O2,发生下列反应:2SO2(g)+O2(g)2SO3(g),达到平衡后,t1时刻保持温度和压强不变如图1a,充入1mol SO3(g),请作出t1时刻后平衡体系的v-t图。
解析:恒温恒压时,向容器中充入1mol SO3(g),体积增大,c(SO2)和c(O2)瞬间减小,正反应速率下降,逆反应速率受c(SO3)影响瞬间增大,平衡向逆反应方向移动。但根据等效平衡原则,新旧平衡各物质浓度均对应相等,故v′=v。
改变条件使得v正≠v逆,即可引发化学平衡移动。新化学平衡反应速率(v′)与原化学平衡反应速率(v)相等的情况完全可能,如图1b。
案例2痛风性关节病的原因归结于在关节滑液中形成了尿酸钠(NaUr)晶体。尿酸钠溶液中存在平衡:NaUr(s)Na+(aq)+Ur-(aq) 。如图2a所示,t1时刻在尿酸钠饱和溶液(晶体足量)中加适量水,试作出溶解速率[v(溶解)]、沉淀速率[v(沉淀)]与时间t关系示意图。
解析:在晶体充足的尿酸钠饱和溶液中加入适量水的瞬间,v(溶解)不变,v(沉淀)因溶液中离子浓度减小而减小,即v(溶解)﹥v(沉淀),平衡向溶解方向移动。在平衡移动过程中,v(溶解)与晶体的量多少无关,始终保持不变,v(沉淀)随着离子浓度的增大而增大,直至v(溶解)=v(沉淀)而建立新平衡为止 [2 ],如图2b。
疑问三:旧平衡破坏,新平衡时各组分浓度不变有可能吗?
案例3一定温度下,某恒定容积密闭容器发生如下反应:
CaCO3(s)CaO(s)+CO2(g),达到平衡时c(CO2)=a mol/L,再充入一定量的CO2气体,平衡向 方向移动,再次达到平衡时,CO2 的物质的量浓度为 。
解析: CaCO3(s)分解过程在密闭恒温体系中,是一个可逆反应,该反应的化学平衡常数是固定值,即K=a mol/L。因此,改变条件后,平衡向逆反应方向移动,新平衡CO2浓度仍为a mol/L。
笔者认为,对于教材中“新平衡各组分浓度会变化”的结论,是未考虑特殊化学反应的平衡状态所致。
新平衡建立后,产物的百分含量一定与原平衡不同吗?
案例4及解析某密闭容器发生如下反应H2(g)+I2(g)2HI(g),达到平衡状态。保持恒温恒容条件,以原平衡初始投入量相等比例向容器中再充入H2(g)、I2(g),不论从v-t图像分析,还是从Q 与K比较的方式,都可以得出化学平衡向正反应方向移动。根据平衡等效性原则,该平衡移动后的结果与“对原平衡直接增大压强”效果是一致的。该反应为气体的等体积变化,故加压对平衡各组分百分含量不会影响。因此新平衡建立后,产物的百分含量与原平衡保持一致的现象肯定存在 [3 ]。
这种情况,对于气体参与且等体积变化的可逆反应尤其要重视。
疑问五:教师在引导学生解读勒夏特列原理时,是否存在误区?
案例5教师针对勒夏特列原理解读时,一般都特别强调两点:①只适用于已处于平衡状态的可逆反应体系;②平衡移动的结果只是减弱外界条件的改变量,但绝不能消除这种改变。是否绝对化?
解析:法国化学家勒夏特列针对复分解反应生成易挥发物质、难溶物或难电离物质时,反应趋向于进行到底这一实验事实就是利用勒夏特列原理得以圆满地解释。由于复分解的某些产物会脱离原体系,不断打破平衡,从而使反应不断进行,直至完全。在一些特殊的平衡体系中,外界条件改变量有可能被“消除”。如上述案例3新增加的CO2会完全转化。又如案例4以及FeO(s)+CO(g)Fe(s)+CO2(g)新增加反应物有可能按原平衡转化率反应消耗。所以,笔者认为
案例6 恒温恒容条件下,建立平衡N2O4(g)2NO2(g)测得NO2百分含量为a%。保持其他条判断?待新平衡建立,又测得NO2百分含量为b%,a、b值的大小关系?
解析:这个问题引起化学教师广泛争议。针对平衡移动方向,部分老师认为,温度恒定的前提下,该反应化学平衡常数K=c2(NO2)/c(N2O4)保持不变,新平衡
针对a、b值的大小关系的讨论,笔者认为可以借助等效平衡的方式。如图3所示,检测设第Ⅰ次投入1 mol N2O4达到平衡Ⅰ时,条件为V、p、T,NO2百分含量为a%。此时再向平衡体系中加入1 mol N2O4,平衡移动,但达到新平衡与起始直接加2 mol N2O4在V、p、T条件下达平衡Ⅱ是一样的。若从2 mol N2O4开始,p、T不变,体积为2V,则与平衡Ⅰ等效,达平衡时NO2百分含量也为a%。只需压缩体积2V→V,就可以达到平衡Ⅱ一样的状态,而该题反应逆向是气体体积减小的反应,压缩平衡会向逆向移动,即达平衡Ⅱ时NO2的百分含量b%必然小于a%。也就是说平衡正向移动,NO2的百分含量减小,两者不矛盾。
综上所述,“化学平衡移动”的疑难问题成因是各个版本教材对化学平衡移动的方向判断上观点不同所致。综合各版本教材观点和上述案例,笔者认为,化学平衡移动属于“过程”研究,应该根据外界条件改变瞬间的v正与v逆变化情况或Q与K大小判断,平衡移动的结果更注重始态与终态对比,很多时候要借助“等效模型”“极限思想”等方式来具体分析。
以上结论,虽经讨论和资料对比论证,正误与否,与大家商榷,并请各位老师指正。
参考文献:
王祖浩. 高中化学教学参考书化学反应原理 [M]. 第2版. 南京:江苏教育出版社,2009:74-75.
浙江省高考命题咨询委员会. 2011年浙江省高考命题解析 理科综合[M]. 杭州:浙江摄影出版社,2011:172.
[3] 汪志成. 化学平衡移动的几个疑难问题辨析[J]. 教学与管理,2006(1):75.
[4] 杨平. 新课标《化学反应原理》教材中若干问题的释疑[J]. 山东教育,2007(1-2):95.
《化学反应原理》教材属于化学新课标选修体系,教学对象是对化学学习有兴趣并将升入大学理科的部分学生,故教材的深广度、编排方式有别于化学必修教材。笔者对比了三种版本高中教材关于“化学平衡的移动”的内容,发现教材之间有一定差异。如表1所示。
笔者注:[a]三版教材的相同之处:化学平衡移动方向的判断都引入勒夏特列原理进行总结。
[b]原文为:“改变反应条件时平衡状态的变化趋势,可以用正逆反应的消长来表述。如果有利于增大产物的比率,可以说成是平衡向右移动;反之亦然。”
三版高中化学教材,对“化学平衡移动方向判断方式”上均采用了直观教学手段。“温度、浓度”对化学平衡的影响运用具体实验形式的实物直观,而“压强”对化学平衡的影响则运用图表、数据等模像直观呈现。毫无疑问,三位主编的意图都是为了符合高中学生的认知结构和已有的学习经验,利于优化高中化学教与学。
三版高中教材在感性认识和理性分析的同时,并没有忽视定性分析和定量计算以及逻辑推理应用。这一点从引入原属于大学内容的“化学平衡常数”就不难发现。正如北京师范大学化学学院王明召教授所言,“从Qc与Kc比较的普遍性定量规律来分析平衡移动的方向问题,体现了新教材的科学性;将勒夏特列原理介绍为定性规律,用于定性判断,体现了新教材的实用性”。
由于教材版本不同,教师解读的差异会对实际教学产生影响吗?如何解决?笔者结合已经查阅的资料和例证,谈谈自己的观点,藉以抛砖引玉。
疑问一:速率—时间图像(v-t图)分析化学平衡移动是否适用?
三种版本教材中,只有人教版教材明确提出用条件改变后的“正、逆反应速率变化”来分析化学平衡移动方向。从教学实践看,v-t图分析化学平衡移动方向使用率仍很高。文献中提到 [1 ]:
化学平衡移动的过程:
原化学平衡(v正=v逆)→条件改变(v正≠v逆)→新化学平衡(v正=v′逆)
化学平衡移动的方向:条件改变,若v正>v逆,平衡向正反应方向移动;若v正< v逆,平衡向逆反应方向移动。因此,v-t图分析平衡移动方向是适用的。
疑问二:新化学平衡反应速率(v′)与原化学平衡反应速率(v)一定不等吗?
案例1 一定条件下,向一带活塞的密闭容器中充入2mol SO2和1mol O2,发生下列反应:2SO2(g)+O2(g)2SO3(g),达到平衡后,t1时刻保持温度和压强不变如图1a,充入1mol SO3(g),请作出t1时刻后平衡体系的v-t图。
解析:恒温恒压时,向容器中充入1mol SO3(g),体积增大,c(SO2)和c(O2)瞬间减小,正反应速率下降,逆反应速率受c(SO3)影响瞬间增大,平衡向逆反应方向移动。但根据等效平衡原则,新旧平衡各物质浓度均对应相等,故v′=v。
改变条件使得v正≠v逆,即可引发化学平衡移动。新化学平衡反应速率(v′)与原化学平衡反应速率(v)相等的情况完全可能,如图1b。
案例2痛风性关节病的原因归结于在关节滑液中形成了尿酸钠(NaUr)晶体。尿酸钠溶液中存在平衡:NaUr(s)Na+(aq)+Ur-(aq) 。如图2a所示,t1时刻在尿酸钠饱和溶液(晶体足量)中加适量水,试作出溶解速率[v(溶解)]、沉淀速率[v(沉淀)]与时间t关系示意图。
解析:在晶体充足的尿酸钠饱和溶液中加入适量水的瞬间,v(溶解)不变,v(沉淀)因溶液中离子浓度减小而减小,即v(溶解)﹥v(沉淀),平衡向溶解方向移动。在平衡移动过程中,v(溶解)与晶体的量多少无关,始终保持不变,v(沉淀)随着离子浓度的增大而增大,直至v(溶解)=v(沉淀)而建立新平衡为止 [2 ],如图2b。
疑问三:旧平衡破坏,新平衡时各组分浓度不变有可能吗?
案例3一定温度下,某恒定容积密闭容器发生如下反应:
CaCO3(s)CaO(s)+CO2(g),达到平衡时c(CO2)=a mol/L,再充入一定量的CO2气体,平衡向 方向移动,再次达到平衡时,CO2 的物质的量浓度为 。
解析: CaCO3(s)分解过程在密闭恒温体系中,是一个可逆反应,该反应的化学平衡常数是固定值,即K=a mol/L。因此,改变条件后,平衡向逆反应方向移动,新平衡CO2浓度仍为a mol/L。
笔者认为,对于教材中“新平衡各组分浓度会变化”的结论,是未考虑特殊化学反应的平衡状态所致。
新平衡建立后,产物的百分含量一定与原平衡不同吗?
案例4及解析某密闭容器发生如下反应H2(g)+I2(g)2HI(g),达到平衡状态。保持恒温恒容条件,以原平衡初始投入量相等比例向容器中再充入H2(g)、I2(g),不论从v-t图像分析,还是从Q 与K比较的方式,都可以得出化学平衡向正反应方向移动。根据平衡等效性原则,该平衡移动后的结果与“对原平衡直接增大压强”效果是一致的。该反应为气体的等体积变化,故加压对平衡各组分百分含量不会影响。因此新平衡建立后,产物的百分含量与原平衡保持一致的现象肯定存在 [3 ]。
这种情况,对于气体参与且等体积变化的可逆反应尤其要重视。
疑问五:教师在引导学生解读勒夏特列原理时,是否存在误区?
案例5教师针对勒夏特列原理解读时,一般都特别强调两点:①只适用于已处于平衡状态的可逆反应体系;②平衡移动的结果只是减弱外界条件的改变量,但绝不能消除这种改变。是否绝对化?
解析:法国化学家勒夏特列针对复分解反应生成易挥发物质、难溶物或难电离物质时,反应趋向于进行到底这一实验事实就是利用勒夏特列原理得以圆满地解释。由于复分解的某些产物会脱离原体系,不断打破平衡,从而使反应不断进行,直至完全。在一些特殊的平衡体系中,外界条件改变量有可能被“消除”。如上述案例3新增加的CO2会完全转化。又如案例4以及FeO(s)+CO(g)Fe(s)+CO2(g)新增加反应物有可能按原平衡转化率反应消耗。所以,笔者认为
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,引导学生领会该原理是解决“单一变量”的动态平衡移动方向的最佳经验判断方式,但并不用于预测新平衡的结果。疑问六:恒温恒容,单一气体反应物和气体产物的反应达到平衡状态,当增加一种物质浓度时,平衡移动方向如何判断? [4 ]案例6 恒温恒容条件下,建立平衡N2O4(g)2NO2(g)测得NO2百分含量为a%。保持其他条判断?待新平衡建立,又测得NO2百分含量为b%,a、b值的大小关系?
解析:这个问题引起化学教师广泛争议。针对平衡移动方向,部分老师认为,温度恒定的前提下,该反应化学平衡常数K=c2(NO2)/c(N2O4)保持不变,新平衡
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体系c(N2O4)必定增大。根据鲁科版教材观点,反应产物浓度减小,该反应平衡逆向移动 [4 ]。笔者综合大多数资料认为,这种观点不正确。从v-t图像分析,加入N2O4瞬间,c(N2O4)增大,v正增大,v逆瞬间不变,平衡正向移动。另外,从加入N2O4瞬间浓度商Q=c2(NO2)/c(N2O4)小于化学平衡常数K,也可以得出平衡正向移动。针对a、b值的大小关系的讨论,笔者认为可以借助等效平衡的方式。如图3所示,检测设第Ⅰ次投入1 mol N2O4达到平衡Ⅰ时,条件为V、p、T,NO2百分含量为a%。此时再向平衡体系中加入1 mol N2O4,平衡移动,但达到新平衡与起始直接加2 mol N2O4在V、p、T条件下达平衡Ⅱ是一样的。若从2 mol N2O4开始,p、T不变,体积为2V,则与平衡Ⅰ等效,达平衡时NO2百分含量也为a%。只需压缩体积2V→V,就可以达到平衡Ⅱ一样的状态,而该题反应逆向是气体体积减小的反应,压缩平衡会向逆向移动,即达平衡Ⅱ时NO2的百分含量b%必然小于a%。也就是说平衡正向移动,NO2的百分含量减小,两者不矛盾。
综上所述,“化学平衡移动”的疑难问题成因是各个版本教材对化学平衡移动的方向判断上观点不同所致。综合各版本教材观点和上述案例,笔者认为,化学平衡移动属于“过程”研究,应该根据外界条件改变瞬间的v正与v逆变化情况或Q与K大小判断,平衡移动的结果更注重始态与终态对比,很多时候要借助“等效模型”“极限思想”等方式来具体分析。
以上结论,虽经讨论和资料对比论证,正误与否,与大家商榷,并请各位老师指正。
参考文献:
王祖浩. 高中化学教学参考书化学反应原理 [M]. 第2版. 南京:江苏教育出版社,2009:74-75.
浙江省高考命题咨询委员会. 2011年浙江省高考命题解析 理科综合[M]. 杭州:浙江摄影出版社,2011:172.
[3] 汪志成. 化学平衡移动的几个疑难问题辨析[J]. 教学与管理,2006(1):75.
[4] 杨平. 新课标《化学反应原理》教材中若干问题的释疑[J]. 山东教育,2007(1-2):95.