核心素养视角下例析化学平衡中的“意想不到”

杜林存

摘 要 通过从外界条件变化对物质状态影响和多因素共同作用下的化学平衡两个角度分析化学平衡中的“意向不到”，以此来突破学生的思维定式，达到提升思维品质的目的。

关键词 核心素养 化学平衡 意想不到 思维

中图分类号：G424 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2018.09.061

Abstract By analyzing the influence of the external conditions on the state of matter and the chemical balance under the influence of multiple factors， the "intentionality" in the chemical balance is analyzed to break through the students' thinking style and achieve the purpose of improving the quality of thinking.

Keywords core literacy； chemical equilibrium； unexpected； thinking

化学学科核心素养的培养已成为现阶段与今后化学教学的主流导向，其内容涵盖了宏观辨识与微观探析、变化观念与平衡思想、证据推理与模型认知、科学探究与创新意识、科学精神和社会责任等方面。这要求教师需要转变传统的教学模式，让学生获得适应未来社会的学习能力。有专家指出，学科素养发展的核心是学科思维的培养与发展。[1]因此，无论在课堂教学还是习题编写，化学学科思维的研究、构建、渗透的重要性不言而喻。本文选取一些培养学生思维品质的化学平衡习题进行研究，让学生在“意想不到”中实现图对传统定势思维的突破。

1 化学反应平衡与化学反应速率

可逆反应在一定条件下进行到一定程度时，正反应速率和逆反应速率相等，反应物和生成物的浓度不再发生变化，反应达到平衡状态。化学平衡是一种动态平衡。在化学平衡状态下化学反应仍在进行，但反应混合物的组成保持不变。当反应条件改变时，原化学平衡状态被破坏，一段时间后会达到新的平衡状态。[2]改变影响化学平衡的因素，平衡将向着能够减弱这种改变的方向移动。[3]平衡移动的实质是外界条件的变化导致正逆反应速率发生不同程度的变化。虽然外界条件如温度、浓度、压强、催化剂、光照、接触面积、溶剂的变化都有可能引起反应速率的变化，但并不一定都能引起平衡的移动，关键取决于外界条件能否引起正逆反应速率不同程度的变化。

在日常教学中，我们习惯于教导学生对课本规律的套用，但一旦遇到复杂陌生情景、逆向思考或者反常规方法，学生就会出现束手无策的状况。我们要追求思维的广度，但在复杂的社会背景下，我们也要重视培养学生思维的求异性、发散性与创新性。

2 外界条件变化对物质状态的影响

例1：锅炉烟道气含CO、SO2，可通过如下反应回收硫：

2CO（g）+SO2（g） S（l）+2CO2（g）。某温度下在2 L恒容密闭容器中通入2 mol SO2和一定量CO发生反应，5 min后达到平衡，生成1 mol CO2。其他条件不变时SO2的平衡转化率随反应温度的变化如图1所示，请解释原因。

分析：二维坐标图中显示的是SO2平衡转化率随反应温度变化之间的关系。根据勒夏特列原理可知，温度升高，平衡朝吸热反应的方向进行，因此SO2的平衡转化率随温度升高应该出现单调递增或者单调递减的变化。但是图像却呈现先增后减的变化，这一化学平衡中的“意想不到”引发了学生强烈的思维冲突。在常规思路无法解决的情况下，学生创造性地提出了445℃前后其实是两个不同的反应，从而导致了焓变的差异。利用逆向思维深入分析，温度升高之后液态硫吸收热量变成了气态硫，引起反应从放热到吸热的转变。同样的思路可以应用于分析例2中的“意外”。

例2：在容积可变的密闭容器中发生反应：aA（g）+bB（g） cC（g），在一定温度和不同压强下达到平衡时，分别得到A的物质的量浓度如表1，分析其中的异常情况。

分析：随着压强的增加，平衡时物质A的浓度并未呈现单一的变化趋势，与例1出现了类似“反转”的意外。一般情况下，压强的改变是通过改变容器体积实现的。第一个过程压强是原来的2.5倍，因此体积变为原来的1/2.5，而平衡时物质A的浓度变为原来的2.5倍，可分析出该过程平衡并未发生移动，即a+b=c；第二个过程压强变为原来的2倍，但浓度却是原来的2.2倍，可得平衡逆向移动。利用例1中的思路可分析出某一物质的聚集状态在压强变化过程中发生了变化，根据平衡移动情况可判断只能是物质B从气态变为了液态或者固态。

3 多因素共同作用下的化学平衡

例3：水煤气变换反应：CO（g）+H2O（g） CO2（g）+H2（g） △H﹤0为研究温度及不同催化剂对此反应的影响，分别在不同温度下保持其它初始条件不变，重复上述实验，经过相同时间测得CO2气体浓度，得到如图趋势。其中N是曲线的最高点，分析曲线浓度变化的原因以及N点反应是否达到平衡状态。

分析：图2中纵坐标显示的是在不同温度下经过相同时间CO2的浓度呈现先增后减的趋势，初步分析似乎又出现了平衡先正向移动再逆向移动的“意外”。学生遇到此类题目往往定性思维比较严重，看到平衡的“形”，条件反射地将平衡“移动”，缺少针对新情境具体分析的过程。平衡移动的前提是反应达到平衡状态，对于未达平衡的阶段是不适合用勒夏特列原理的。引导学生利用动态思维与发散思维，提出曲线变化的可能原因。学生们经过思考讨论总结了如下可能性：

N点之前CO2浓度随温度升高而增加： N点之前反应未达平衡，属于平衡建立阶段，温度升高反应速率加快，相同时间内产生的CO2的量增加，浓度增加，所以前一阶段是从“速率”角度分析问题。再结合催化剂对速率的影响，若该阶段催化剂的活性随温度升高而增加，那么温度和催化剂两个因素对化学反应速率影响是一致的；若该阶段催化剂活性随温度升高而降低，那么温度对反应速率的影响大于催化剂对化学反应速率的影响。

N点之后CO2浓度随温度升高而减少：①后阶段催化剂活性不变或者增加，温度升高，反应速率加快，反应不仅达到平衡而且往逆反应方向移动；②催化剂活性随温度升高而下降，但是温度对反应速率影响大于催化剂对化学反应速率影响，因此反应达到平衡且逆向移动；③催化剂活性随温度升高而下降（或者失活），且其对化学反应速率的影响大于温度对化学反应速率的影响，反应速率下降，未达平衡，相同时间内产生CO2减少；④温度过高，发生了其它副反应，导致CO2的量减少。

至于最高点N点是否为平衡点，学生们也提出了自己不同的看法：如果图像上的每一个点都是通过实验测得的，且平衡是发生移动的，那么该点是平衡点；若实验只是测了几组相关的数据，通过拟合的方式得到的图那就不一定是平衡点了。考虑到实际情况，后者的可能性更加大。

例4 在例3基础之上再增加催化剂甲，其它条件均相同，分析最高点M、N是否为平衡点。如图3所示。

分析：两条曲线的变量仅为催化剂种类的不同，而催化剂在现阶段可认为只改变化学反应速率而不影响化学平衡。因此相同时间内CO2浓度的不同可以归结于反应速率的差异。分析对比，催化剂甲作用下的反应在相同温度下经过相同时间产生CO2的量均比催化剂乙作用下更高，因此催化剂乙这条曲线对应的点都不是平衡状态，而N点之后CO2下降的原因可以归结于例3中的③④。至于催化剂甲对应的曲线存在的可能性更加丰富，既可以参照例3中的分析，也可以参照催化剂乙的分析。

传统的课堂教学我们更多的关注基础知识的落实与基本技能的学习，然而单纯的知识灌输以及应试技巧训练已经无法培养适应当前社会发展所需要的人才。因此教师在化学教学过程中应以教材与习题为载体，通过创设新颖的情境，让学生在不断讨论、探索中碰撞出思想的火花，提升思維品质，为学生长远发展打下坚实的基础。

参考文献

[1] 唐琴等.核心素养的学科构建[J].江苏教育研究，2016（11）：24-26.

[2] 王祖浩.普通高中课程标准实验教科书：（化学2第5版）[M].南京：江苏教育出版社，2014：33.

[3] 王祖浩.普通高中课程标准实验教科书：（化学反应原理.第5版）[M].南京：江苏教育出版社，2014：55.