基于化学三重表征的《溶液中的化学平衡》复习设计

沈旭东

[摘 要] 运用“宏观的现象、微观的分析、符号的表达”化学三重表征观念，分析溶液中三价铁离子与硫氰根离子发生络合反应的实验现象、分析六种硫氰合铁微粒的含量、分析影响此反应进行程度的外界条件，在一课时内综合复习了可逆反应、c-t图、化学平衡状态、化学平衡常数、转化率、化学平衡移动、焓变与熵变等多个概念。

[关键词] 化学三重表征 化学平衡 平衡常数

[中图分类号] G633.8 [文献标识码] A [文章编号] 1674 6058（2015）20 0080

一、任务——一堂要落实八个知识点的化学原理课

笔者某天接到一个命题式的展示课任务。课题：溶液中的化学平衡；内容要求：必须涉及可逆反应概念、c-t图、化学平衡状态、化学平衡常数、转化率、化学平衡移动、焓变与熵变。

二、设计思想——“宏观的现象、微观的分析、符号的表达”

要使此命题下的课堂教学有新意，若以知识点的串联作为教学组织的主线或程序而落实任务中的八个知识点，会显得死板、生硬。于是笔者考虑以化学学科方法或能力为中心展开各知识点，或以化学学科观念贯穿各知识点。

“化学学习有三大领域：可观察现象的宏观世界；分子、原子和亚原子微粒构成的微观世界；化学式、方程式和符号等构成的符号与数学世界”，[1]此谓之“化学三重表征”。在教学过程中，培养学生在观察或检测到物质变化的宏观现象或数据变化时，能自主思考这是否是组成微粒之间在一定条件下的相互作用结果、又是否体现或隐含着某种规律或符合某种反应原理，并尝试着用化学符号或化学规律进行解释或表达，然后再用结论去实验、去印证，即“宏观的现象、微观的分析、符号的表达”。在化学学习过程中，引导学生有机整合化学三重表征，有利于学生化学学科观念的养成。

针对此课时在设计时可用一个具体的溶液中的可逆反应为实例，综合化学平衡的相关知识点进行研究，进而落实任务中的八个知识点，并在具体的研究过程中突出“宏观的现象、微观的分析（实验实证）、符号的表达（数据规律）”三重表征的化学学科观念，以完成教学任务。

三、教学设计

溶液中的化学平衡，苏教版教材中主要有以下几个可逆反应：Fe3+与SCN-、Fe3+与I-、Co2+与Cl-、CrO2-4与H+。从学生对上述四个反应的熟悉程度、实验现象的明显程度，以及对任务所规定的八个知识点能进行简单而有效综合的可能性，本课时选择Fe3+与SCN-的反应作为研究实例。

1.教学目标——用学科方法贯穿基本知识，养成学科观念

（1）设计实验对Fe3+与SCN-的反应方程式在不同模块教科书中用“=”和“ ”的两种表达方式进行科学性评价，进一步理解可逆反应的定义和特征、化学平衡状态的定义和特征，学会描绘c-t曲线图并理解其表达的意义；

（2）交流讨论硫氰化铁络合物的不同形式，并通过查阅文献资料获取信息进行解释，进一步理解化学平衡常数、转化率计算所表达的意义，并初步学会从数据表获取信息、归纳规律；

（3）通过改变外界条件对硫氰化铁溶液颜色变化的小组实验，进一步理解化学平衡移动原理，并尝试从焓变、熵变及自发反应等角度分析化学平衡移动原理，体会化学反应原理对控制和设计化学反应的意义。

2.教学过程——从对文献之疑的探究到对实验现象之疑的愤悱

【引入】

（1）视频：原北京大学校长、化学家周其凤院士作词的歌曲“化学是什么”；

（2）引言1：化学是什么，周院士在歌词中说得很广博和形而上。今天我们一起研究“溶液中的化学平衡”，希望通过本堂课，我们能更具体地了解“化学是什么”；

（3）PPT1：标题“溶液中的化学平衡”——现象背后理论求证；

（4）引言2：溶液中的化学反应往往具有一定的实验现象，而化学反应就是微粒间的重新组合，因此我们需从微粒及其相互作用的角度思考为什么具有这些现象，我们又该如何用化学语言科学而完整地表达这些化学现象，譬如：溶液中三价铁离子与硫氰酸根离子反应生成血红色溶液；

（5）演示实验1：①展示0.1mol/L三氯化铁溶液（黄色溶液）与0.001mol/L三氯化铁溶液（几乎无色）；②设问：如何检验这近乎无色的0.001mol/L三氯化铁溶液中是否真的含有三价铁离子？③取0.001mol/LFeCl3溶液约4mL倒入试管，然后滴入同浓度KSCN溶液约5滴，并提醒学生注意药品用量；

（6）练习1：写出此反应的实验现象与离子方程式。

【 知识点学习1：可逆反应与化学平衡状态】

（1）投影展示：①课堂巡察中选取学生分别用“=”和“ ”表示的三价铁离子与硫氰根离子反应的两种离子方程式；②设问：哪个正确？

（2）PPT2并说明：主要内容为苏教版必修1（2012年印刷）P75“信息提示”栏，关于检验Fe3+的离子方程式用“Fe3++3SCN-=Fe（SCN）3”表达；而苏教版化学反应原理（2012年印刷）P60“课后练习”第6题，则用“Fe3++SCN- [Fe（SCN）]2+”表达。两者有等号或可逆符号之别。

（3）设问：用“=”和“ ”表达的反应式意义上有何不同？能否用类似函数图像来表达？

（4）板演：（课堂巡察中选取画出正确或类似c-t图的学生）

（5）板书并讲解：可逆反应定义与特点；c（SCN-）的不可逆反应与可逆反应的c-t图表达。

（6）PPT3：可逆反应定义与特点：在同一条件下既可以向正反应方向进行，同时又可以向逆反应方向进行，反应物不能完全转化为生成物。方程式用“ ”表示，可逆反应体系中，反应物与生成物共存；化学平衡状态定义（略）。

（7）设问：能否用实验证明哪种表达更符合反应事实？

（8）小组讨论：“关键在于是否是可逆反应”“根据两种反应物的用量，若能验证反应后溶液中还存在SCN-则可证明此反应为可逆反应”。

（9）演示实验2：把演示实验1所得红色溶液分装进2支试管，在一支试管中再滴入0.1mol/LFeCl3溶液，可观察到红色明显变深。

（10）结论：反应后溶液中存在SCN-，反应为可逆反应，则“Fe3++SCN- [Fe（SCN）]2+”表示形式更符合反应事实。

（11）设问：果真如此吗？

（12）PPT4：主要内容为研究硫氰化铁溶液组成的文献资料：铁离子的六种硫氰络合物：Fe（SCN）2+、Fe（SCN）2+、Fe（SCN）3、Fe（SCN）-4、Fe（SCN）2-5、Fe（SCN）3-6，水溶液均为血红色，以及生成每种络合物的对应化学反应方程式。

（13）设问：哪种络合物含量最高，哪个反应式表达的是主要反应呢？

【 知识点学习2：化学平衡常数与转化率】

（1）设问：要分析三价铁离子的六种硫氰根络合物哪种含量最高，就要分析各个可逆反应进行的程度，那用什么量可以表达可逆反应进行程度的大小？

（2）PPT5并讲解：化学平衡常数表达式及意义；转化率表达式及意义。

（3）PPT6：Fe3+/SCN-平衡体系中各级反应的平衡常数数据表。[2]

（4）结论并讲解：根据六种铁离子的硫氰络合物的生成平衡常数大小，可以认为的确是以第一步反应“Fe3++SCN- [Fe（SCN）]2+”为主。

（5）练习2：通常情况下，将0.002mol/LKSCN溶液与0.002mol/LFeCl3溶液等体积混合，充分反应后达到平衡，测得溶液中一些离子的浓度约为：c（Fe3+）=8.500×10-4mol/L、c[Fe（SCN）2+]=1.411×10-4mol/L，K1=200，求c（SCN-）、Fe3+的转化率α。

（6）评析：（点评学生练习2的解题过程，突出K、α的表达式及意义）。

（7）设问：在演示实验1中滴入更高浓度的三氯化铁溶液使溶液红色变深，你能说明原因吗？根据相关原理，如何设计实验使溶液红色变深或变浅呢？

【 知识点学习3：影响化学平衡移动的因素和勒夏特列原理】

（1）学生实验：（给学生提供以下药品，让学生根据要求设计实验）0.002mol/LKSCN溶液、0.002mol/LFeCl3、0.1mol/LKSCN溶液、0.1mol/LFeCl3、0.01mol/LNaOH、铁粉、蒸馏水。

（2）练习3（在实验中完成）：把0.002mol/LKSCN溶液与0.002mol/LFeCl3溶液等体积混合充分反应后的溶液分为a、b两份，a中逐滴加入稀NaOH溶液，实验现象为_______，其原因为_______；b中加入一些还原铁粉，实验现象为_______，其原因为_______（用必要的文字与离子方程式说明）。

（3）小结：当其他条件不变，直接或间接改变反应物或生成物浓度使平衡发生移动的情况；回顾勒夏特列原理。

（4）设问：利用勒夏特列原理，能否设计实验探究“Fe3++SCN- [Fe（SCN）]2+”的ΔH？

（5）提问后演示实验3：（播放预先拍摄的实验室视频）0.002mol/LKSCN溶液与0.002mol/LFeCl3溶液各3mL混合，等体积分装3支试管，一支浸入冰水，一支浸入沸水，另一支作颜色比对；十分钟左右可明显观察到浸入冰水的一支红色明显变深，而浸入沸水的一支红色变浅。

（6）练习4：把0.002mol/LKSCN溶液与0.002mol/LFeCl3溶液等体积混合充分反应后的溶液，浸入冰水中，发现其溶液颜色变深，说明此反应的ΔH_______0，升温后其K1_______（增大、不变、减小）。

（7）讲解：反应热与焓变ΔH的概念及区别；并回顾体系混乱度与熵变ΔS概念。

（8）设问：“Fe3++SCN- [Fe（SCN）]2+”中ΔS大于零还是小于零？

（9）小组讨论：学生大多会得出“从反应形式看是两种离子络合成一种离子，混乱度降低，即为熵减，小于零”的结论。

（10）讲解：三价铁离子的水配合离子形式及水溶液中的水合离子情况，主要突出熵的实质及分析问题时应注重联系和注意整体。

（11）PPT7：影响化学平衡移动的外界因素与勒夏特列原理。

（12）讲述：勒夏特列原理及其贡献。

【课堂小结】

（1）小结1（PPT8）：课堂回顾：可逆反应、c-t图；化学平衡状态；化学平衡常数；转化率；化学平衡移动；焓变与熵变。

（2）阐述学习化学原理的意义：能更深刻地认识化学反应，从而有能力改造与创造化学反应，更好地为社会发展服务。

（3）小结2：（呼应“化学是什么”）对感知到的宏观化学现象，从微观的角度用化学原理进行认识，并用化学实验进行实证，再用数据或图形探究化学变化的规律，然后用化学符号进行定性及定量的表达。

（4）小结3：接小结1，例如，如何用实验验证久置的氯化亚铁溶液可能已被氧化？

（5）演示实验4：①取另一试管加入2mL久置的稀FeCl2溶液，滴入稀KSCN液，可观察溶液变浅红色；②再取试管加入约2mL新制的稀FeCl2溶液，然后滴加稀KSCN溶液，可观察溶液不变色；③再分别往两支试管中逐滴加入3%H2O2溶液，可观察到试管中溶液的红色逐渐加深，并产生气泡；④继续加入双氧水，可观察到红色褪去，溶液变成黄色，并产生更多的大量气泡。

（6）结束语：上述实验现象的产生，是溶液中的微粒之间发生了怎样的反应？我们如何分析？我们如何用化学用语进行正确的表达？且听下节课（下一课时主要为化学平衡知识综合解决化学问题）。

3.作业设计——巩固基础、克服疑难、启动新知

作业1：（1）画出CO2气体持续通入50mL0.1mol/LNaOH溶液中氢氧根离子浓度随时间变化曲线图；（2）某可逆反应Y（aq） Z（aq），其化学平衡常数K很小，用c—t曲线图（反应物及生成物浓度随时间变化的曲线图）示意此反应的化学平衡常数K很小。

设计意图：巩固可逆反应、化学限度、平衡常数、c—t图等基本概念及其关系。

作业2：已知Co（H2O）2+4（aq）+4Cl-（aq） CoCl2-4（aq）+4H2O ΔH>0

粉红色 蓝色

（1）此反应的平衡常数表达式为_______；（2）将氯化钴（CoCl2）溶于浓盐酸可得到蓝色溶液，某同学将此蓝色溶液分成A、B、C三份，并分别：A浸入冰水、B浸入热水、C用酒精灯直接加热，发现其中一份为异常现象，你认为可能是_______，其原因可能是_______；（3）正反应的ΔS_______0，说明你的理由______________。

设计意图：巩固平衡常数表达式、化学平衡移动因素；并引导学生注意实验细节对结果的影响。

作业3：人体血液内的血红蛋白（Eb）易与O2结合生成HbO2，因此具有输氧能力。吸入CO后肺中发生反应：CO（aq）+HbO2（aq） O2（aq）+HbCO（aq），写出该反应的平衡常数表达式_______ ；37℃时，该反应的平衡常数K=220，若HbCO的浓度达到HbO2浓度的0.02倍，人的智力就会受损，为防止人的智力受损，吸入的CO与O2浓度之比不得超过_______；把CO中毒的病人放入高压氧舱中解毒，其原理是_______；

设计意图：巩固化学平衡常数的简单计算并尝试解决具体的应用问题，为下节课埋下伏笔。

四、结语

德国著名科学家冯·劳厄曾经说过，教育所给予人们的无非是当一切已学过的东西都忘记后所剩下来的东西。高中毕业后，很多学生或许将不再学习化学而逐渐淡忘具体的化学事实性知识，但若在今后的生活中，他们看到或感觉到物质变化的宏观现象，就会想到可能是构成物质的微观粒子的相互作用，并能用语言对这种现象或变化进行表达，这也许就是在他们的头脑中“剩下的东西”。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 张丙香，毕华林.化学三重表征的含义及其教学策略[J].中国教育学刊，2013（2）：73.

[2] 周改英.基于铁离子检验的教学问题探讨[J].化学教育，2011（2）：69.

（责任编辑 罗 艳）