化学平衡原理在高三元素化合物复习中的应用

◇ 福建 柯丽明

(作者单位:福建省南安市侨光中学)

基于“一核四层四翼”的高考评价体系命题要求,近几年高考化学试题不再考查知识的再现,而是注重知识的应用,体现学科的价值.元素及其化合物的性质是中学化学学科的主干知识,承载着考查化学基本概念、基本理论、化学实验、化学计算等的功能.在高考化学试题中,从选择题到主观题,元素及其化合物的影子无处不在,但均作为其他考点的载体,并非独立考查.要解答好这类试题,就必须灵活运用元素化合物知识与化学反应原理知识.因此高三复习时,教师要渗透化学反应原理,有助于元素化合物知识与化学反应原理知识间的融会贯通、相互印证,从而提高复习效率.

1 高三复习中常遇到的关于元素化合物知识的问题

1.1 学生存在的问题案例

之所以会出现这样的状况,是因为学生只是机械地记忆知识,把元素化合物知识与化学反应原理割裂开来,没有厘清知识的内在因素与外在表现之间的关系.

1.2 教学过程中遇到的反规律案例

H2S＋CuSO4＝CuS↓＋H2SO4和SiO2＋2C＝Si＋2CO↑这两个反应显示出“弱酸制强酸”和“弱还原剂制强还原剂”.

如果教师把这些反应简单归为特殊反应,那么就会把书“越教越厚”,而学生对化学反应的认识将得不到更深层次的发展.因此,教师要挖掘“规律”与“反规律”背后的化学原理,用化学原理来解释这些“反规律”的化学反应.

2 化学平衡原理在元素化合物复习中的应用

中学涉及的平衡包括:化学平衡、电离平衡、水解平衡、沉淀溶解平衡.这四大平衡在解释物质的性质、用途,除杂、气体收集及物质制备等方面有着诸多应用.

2.1 化学平衡原理的定性应用

1)物质性质与化学平衡

2)物质用途与化学平衡

工业上用NH4Cl溶液除铁锈,是由于NH4Cl溶液中存在水解平衡使溶液呈酸性;消防上用NaHCO3溶液和Al2(SO4)3溶液制作泡沫灭火器,是由于Al3＋和存在相互促进的水解平衡,即OH－、Al3＋＋3H2O⇌Al(OH)3＋3H＋,从而产生大量的CO2气体.

3)除杂及气体收集与化学平衡

除去Cl2中的HCl和收集Cl2,可选用饱和NaCl溶液,是由于存在气体溶解平衡:Cl2(g)⇌Cl2(aq)及化学平衡:Cl2(aq)＋H2O(l)⇌H＋(aq)＋Cl－(aq)＋HClO(aq);工业上除去溶液中混有的金属离子,经常通过调节溶液的pH 完成,这是运用金属离子发生水解使平衡移动生成氢氧化物沉淀的原理.

4)物质制备与化学平衡

由 MgCl2·6H2O 晶体制备无水 MgCl2时必须在HCl气流中脱水,是由于存在水解平衡:MgCl2＋2H2O⇌Mg(OH)2＋2HCl,因此可以通过增大HCl气体浓度抑制Mg2＋水解;NH3的制备,无论是选用铵盐与碱共热,还是将浓氨水滴入生石灰或NaOH 固体或碱石灰中,都是应用平衡NH3＋H2O⇌NH3·不断向左移动的原理.

在一轮复习中,教师可引导学生运用化学平衡原理解释相关知识、设计实验方案、构建知识网络,从而大大提高复习效率.

【案例1】“铝盐及氢氧化物”复习.

任务1:Al(OH)3是一种两性氢氧化物,写出Al(OH)3的电离方程式.

任务2:依据Al(OH)3的电离方程式和平衡移动原理,设计3种制备Al(OH)3的实验方案,并写出反应的离子方程式.判断哪一种方案原料的利用率最高?

任务3:依据Al(OH)3的电离方程式和平衡移动原理,构建的转化网.

任务4:明矾用于净水的原理是什么? 研究表明,明矾净水时加入适当的助凝剂能增强净水效果,以下物质适合作助凝剂的是( ).

A.活性炭 B.Cl2

C.NaHCO3D.FeCl3

本案例运用平衡移动原理复习了“铝盐及氢氧化物”的重要性质,构建出“铝三角”转化网,并实现运用平衡移动原理解决元素化合物的实际问题,大大提高了复习的实效性.

2.2 化学平衡原理的定量应用

《普通高中化学课程标准(2017年版)》明确提出“体会定量研究对化学科学发展的重要作用”的要求.定量思维是一种重要的化学学科思维,可以用数学知识来解决化学问题.当用定性思维研究化学问题遇到瓶颈时,我们可以考虑从定量思维的角度来研究.《普通高中化学课程标准(2017年版)》在选择性必修模块1中也提出“了解浓度熵和化学平衡常数的相对大小与反应进行方向之间的联系”的要求.化学平衡常数K 不仅可以用来衡量反应进行的限度,也可用于判断化学反应的方向.一般把K ＜10－5和K ＞105作为很难反应和完全反应的判据.

复分解反应中存在着一些“强制弱”规律,如溶解性大的物质制取溶解性小的物质,较强酸制较弱酸,较强碱制较弱碱等.这些规律,事实上是上述化学原理的体现.例如:

违反规律的“弱制强”的反应,如溶解性小的制溶解性大的、弱酸制强酸的反应,同样遵循上述化学原理.

当10－5＜K＜105时可通过增大浓度实现转化,实际操作是使用饱和Na2CO3溶液多次处理BaSO4,使其转化为BaCO3.

【案例2】(2019年全国卷Ⅲ,节选)高纯硫酸锰作为合成镍钴锰三元正极材料的原料,工业上可由天然二氧化锰粉与硫化锰矿(还含 Fe、Al、Mg、Zn、Ni、Si等元素)制备,工艺如图1所示.

图1

写出“沉锰”的离子方程式:_______.

通过定量计算来判断化学反应方向,可以将学生的思维由定性思维向更高阶思维——定量思维发展,提升了对化学反应的认知水平.

3 将化学平衡原理应用于元素化合物复习中的实践效果

3.1 利于构建知识网络

网络化、结构化的知识是形成能力的前提.元素化合物这部分知识点多而杂,如果孤立地复习这部分知识,学生会“因多生乱”,易遗忘.将化学平衡原理应用于元素化合物复习,运用原理解释事实、分析原因,可将零散的知识串联起来,有利于构建知识网络,提高知识的综合应用能力.

3.2 提高解决问题能力

高考试题注重将学科内容与国家经济、社会发展、科学进步、生产生活等联系起来,通过设置新颖的问题情境,考查学生灵活运用所学知识解决实际问题的能力.面对陌生情境,学生须进行“去情境化,提取化学问题”,再运用化学基础知识、化学基本理论和化学学科思维来解决真实问题.在元素化合物复习中,教师设置真实问题情境,运用化学原理分析问题,再利用学科知识解决问题,提高学生解决问题的能力.