变化观念与平衡思想中“博弈”意识的树立

李旭林

(山西省临汾第一中学校 041000)

发挥化学课程的整体育人功能，就必须立足于学生适应现代生活和未来发展的需要.而博弈论目前已经在经济学、国际关系学、政治学、军事战略、生物学等很多学科广泛地应用.所以“变化观念与平衡思想”核心素养的构成要素中，不仅要有物质变化与能量变化、方向与限度、速率与平衡、守恒与定量关系的表征，还应该逐步渗透“博弈与平衡”思维意识.

化学平衡状态存在于可逆反应，而可逆反应是在一定条件下，正反应和逆反应同时发生的反应.既然正、逆反应同时发生，它们之间就会存在相互的“博弈”，博弈的结果就是可逆反应在达到平衡状态时存在一定的限度.本文就应用“博弈与平衡”思维意识解决酸碱反应、氧还反应以及电化学相关问题进行分析，阐述如下.

一、酸碱反应中的“博弈与平衡”意识

酸对应酸根电离方程式电离常数H2CO3HCO- 3H2CO3H+ + HCO-3Ka1HCO-3CO2-3HCO-3H++CO32-Ka2

因为较强的酸易电离出H+，即其对应的酸根难以与H+结合；同理较弱的酸难电离出H+，即其对应的酸根就易与H+结合.所以，当较强的酸遇到较弱酸对应的盐溶液时，就存在“强酸与弱酸根反应”与“弱酸与强酸根反应”之间的博弈，其结果就是以“弱酸根与强酸电离出的H+结合生成弱酸”为主.可以表征为：强酸 + 弱酸盐(弱酸根)= 弱酸 + 强酸盐(强酸根).

例1(2015年课标Ⅰ卷26题节选)设计实验证明：草酸的酸性比碳酸的强____.

例2(2015年福建卷23题节选)25℃，两种酸的电离平衡常数如下表:

Ka1Ka2H2SO31.3×10-26.3×10-8H2CO34.2×10-75.6×10-11

H2SO3溶液和NaHCO3溶液反应的主要离子方程式为____.

二、原电池原理中的“博弈与平衡”意识

大多数学生在初学原电池原理时，总是想不通化学电源的“电动势”从何而来.不需引入“双电层”理论、电极电势、能斯特方程等复杂知识，利用“博弈与平衡”意识来分析，便可以轻松理解.例如，对人教版选修4中锌铜原电池(丹尼尔电池)装置(如图1所示)分析如下.

2.在未形成闭合回路时，上述两平衡互不干涉.但是，用导线连接锌棒和铜棒，并用盐桥连接两个烧杯中的溶液形成闭合回路后，两个平衡就会开始“博弈”.由于Zn(s)失电子能力(还原性)比Cu(s)强，而Cu2+得电子能力(氧化性)比Zn2+强，而且导线的电阻几乎为0，所以Zn失电子通过导线向Cu移动，Cu2+得电子生成Cu.

两个平衡的博弈，就是产生“电动势”的原因.

例3(2019年广东七校高考冲刺11题)因存在浓度差而产生电动势的电池称为浓差电池.利用如图所示装置进行实验，开始先闭合K2，断开KL，一段时间后，再断开K2，闭合KL，形成浓差电池，电流计指针偏转(Ag+浓度越大，氧化性越强).下列说法不正确的是( ).

A. 闭合K2，断开KL一段时间后，X电极质量增加

B. 闭合K2，断开KL一段时间后，右池c(AgNO3)增大

C. 断开K2，闭合K1,X电极发生氧化反应

三、氧化还原反应中的“博弈与平衡”意识

与酸碱反应类似，氧还反应中同样存在“强强成弱”的规律，也就是在一个氧还反应中氧化性：氧化剂>氧化产物，还原性：还原剂>还原产物.这条规律，在解题时经常用到，但一部分同学只是一般性套用规律，平时备考复习过程中没有深刻体会其中的“博弈与平衡”的思维方式，所以在遇到2019年全国I卷28题，就会“深入山中”，不知所云.

(1)Shibata曾做过下列实验：①使纯H2缓慢地通过处于721 ℃下的过量氧化钴CoO(s)，氧化钴部分被还原为金属钴(Co)，平衡后气体中H2的物质的量分数为0.0250.②在同一温度下用CO还原CoO(s)，平衡后气体中CO的物质的量分数为0.0192.

根据上述实验结果判断，还原CoO(s)为Co(s)的倾向是CO____H2(填“大于”或“小于”).

(2)721℃时，在密闭容器中将等物质的量的CO(g)和H2O(g)混合，采用适当的催化剂进行反应，则平衡时体系中H2的物质的量分数为____(填标号).

A．<0.25 B．0.25 C．0.25～0.50

D．0.50 E．>0.50

(3)Shoichi研究了467℃、489℃时水煤气变换中CO和H2分压随时间变化关系(如右图所示)，催化剂为氧化铁，实验初始时体系中的p(H2O)和p(CO)相等、p(CO2)和p(H2)相等.

467℃时p(H2)和p(CO)随时间变化关系的曲线分别是____、____.489 ℃时p(H2)和p(CO)随时间变化关系的曲线分别是____、____.

起始/mol 1 1 0 0

转化/molxxxx

平衡/mol 1-x1-xxx

(3)该题综合性较强，须同时从变化观念与平衡思想的三个角度考虑得出结论：

①定量转化：30～90 min的变化量b增0.34 kPa，c减0.34 kPa；a减0.28 kPa，d增0.28 kPa.可知，b、c为同一温度下两物质的变化曲线，a、d为另一温度下两物质的变化曲线.

②“博弈”意识：721℃下，CO的还原性强于H2，平衡时CO分压小于H2分压.且467℃、489℃均小于721℃，该反应为放热反应，温度降低平衡正向移动，CO的分压会更小，H2分压会更大.所以，A、B为H2的变化曲线；c、d为CO的变化曲线.

③勒夏特列原理：该反应为放热反应，温度降低平衡正向移动，467℃比489℃时H2的平衡分压大，CO的平衡分压小.所以，467℃时p(H2)和p(CO)随时间变化关系的曲线分别是b、c.489 ℃时p(H2)和p(CO)随时间变化关系的曲线分别是a、d.