王福成
“化學(xué)反應(yīng)限度”是中學(xué)化學(xué)的一個教學(xué)難點。國內(nèi)外的研究表明,學(xué)生對化學(xué)反應(yīng)限度的認(rèn)識一直存在較多誤區(qū)。例如,學(xué)生把可逆反應(yīng)達到化學(xué)反應(yīng)限度時的化學(xué)平衡與日常生活中的平衡等同起來,認(rèn)為所謂的平衡就是指靜止的、不變的狀態(tài)[1],而非動態(tài)平衡。學(xué)生不是把平衡混合物看作一個整體,而是認(rèn)為化學(xué)平衡的兩邊各自獨立進行,在逆反應(yīng)開始之前,反應(yīng)先往正方向進行且達到完全,接著反應(yīng)又朝著逆方向進行,如此反復(fù)交替,如同鐘擺運動[2][3]。
新課標(biāo)中明確要求應(yīng)設(shè)計實驗證明某些化學(xué)反應(yīng)的可逆性,而教師在處理方法上多以問題引導(dǎo),直指問題核心—理解化學(xué)平衡的建立過程與本質(zhì)特征,缺乏實驗根基。從教學(xué)目標(biāo)來看,如果簡單地將“化學(xué)反應(yīng)限度”內(nèi)容定位于“通過實驗認(rèn)識化學(xué)反應(yīng)的限度”,就會失去一次幫助學(xué)生建構(gòu)化學(xué)反應(yīng)原理核心概念的契機。
一、核心概念分析及教學(xué)目標(biāo)確定
“化學(xué)反應(yīng)限度”屬于化學(xué)熱力學(xué)研究的范疇,是中學(xué)化學(xué)的重要概念之一。它是中學(xué)化學(xué)涉及的溶解平衡、電離平衡和水解平衡等知識的核心,對學(xué)生研究物質(zhì)在水溶液中的行為起著極其重要的指導(dǎo)作用?!盎瘜W(xué)反應(yīng)限度”是理解化學(xué)反應(yīng)的一個重要維度,是建立“平衡觀”的起點,是選修“化學(xué)反應(yīng)原理”的必要基礎(chǔ)。
熱力學(xué)認(rèn)為,與一切自然過程一樣,一定條件下進行的化學(xué)反應(yīng)受到來自能量和熵的兩個方向的推動:一方面傾向于達到能量的最低狀態(tài),另一方面又力求實現(xiàn)熵的最大狀態(tài)。兩種推動的效果正好相反,而又同時存在。“相同條件”“同時進行”和“自發(fā)地趨向于平衡”,是一切可逆反應(yīng)的共同特征。當(dāng)可逆反應(yīng)達到平衡狀態(tài)時,基本特征是體系中的所有組分的濃度不再繼續(xù)隨時間而改變。由于反應(yīng)物和生成物共存,到達平衡狀態(tài)時正逆反應(yīng)不會停止,其實質(zhì)是動態(tài)平衡,宏觀表現(xiàn)為正逆反應(yīng)速率相等。此時,可逆反應(yīng)在該條件下達到最大程度,即反應(yīng)限度。當(dāng)條件改變時,這種動態(tài)平衡就會被破壞,直至達到新的平衡,反應(yīng)限度也隨之改變。因此,本節(jié)課的核心概念為可逆反應(yīng)在給定條件下有一定的限度,改變反應(yīng)條件可以在一定程度上改變反應(yīng)限度,即改變該反應(yīng)的化學(xué)平衡狀態(tài)。因此,通過調(diào)控反應(yīng)條件,可使反應(yīng)更好地符合人們預(yù)期的結(jié)果(見圖1)。
基于以上分析,本節(jié)課的教學(xué)重點和難點為:理解可逆反應(yīng)的特征;認(rèn)識化學(xué)平衡狀態(tài)的特征和實質(zhì)。
二、挖掘?qū)嶒灲虒W(xué)功能,促進核心概念形成
1.科學(xué)史話激疑,引入可逆反應(yīng)概念
傅鷹先生說過:“化學(xué)可以給人以知識,化學(xué)史更可以給人以智慧?!庇没瘜W(xué)史料創(chuàng)設(shè)問題情境,可以充分反映人們在認(rèn)識自然界過程中的科學(xué)態(tài)度和科學(xué)思想,有利于學(xué)生學(xué)到形成和運用知識的科學(xué)方法,養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)求實的科學(xué)態(tài)度。
例如,鋼鐵生產(chǎn)是17世紀(jì)從英國開始的第一次產(chǎn)業(yè)革命的兩大支柱之一。但煉制1t生鐵所需焦炭的實際用量,遠高于按照化學(xué)反應(yīng)方程式計算所需的量,且從高爐頂端出來的氣體中總含有沒被充分利用的CO氣體。起初,煉鐵工程師認(rèn)為是CO與鐵礦石接觸不夠充分之故,于是設(shè)法增加高爐的高度。然而令人吃驚的是,高爐增高后,高爐尾氣中CO的比例竟然沒有改變。這時教師就可以提問學(xué)生:你能揭開煉鐵工程師的困惑嗎?
2.自主實驗探究,建構(gòu)可逆反應(yīng)概念
教師要善于發(fā)現(xiàn)和提出有探究價值的化學(xué)問題,引導(dǎo)學(xué)生依據(jù)探究目的,設(shè)計并優(yōu)化實驗方案,完成實驗操作,對觀察記錄的實驗信息(證據(jù))進行加工并獲得結(jié)論,培養(yǎng)學(xué)生敢于質(zhì)疑和批判的創(chuàng)新精神。
【問題1】將0.01mol/L的FeCl3溶液與0.01mol/L的KI溶液混合,會發(fā)生怎樣的反應(yīng)?說出你的依據(jù)。
【設(shè)計說明】調(diào)研發(fā)現(xiàn),學(xué)生尚未形成認(rèn)識化學(xué)反應(yīng)的一般思路,即性質(zhì)決定反應(yīng),反應(yīng)是性質(zhì)的體現(xiàn)。他們雖然形成了認(rèn)識物質(zhì)性質(zhì)的三個視角—氧化還原、類別和元素周期律(表),但不會自覺地將三者有機結(jié)合,為此,教師設(shè)計了問題1。Fe3+具有較強的氧化性,I-還原性如何?根據(jù)元素周期律,碘元素的非金屬性較弱,推知碘單質(zhì)的氧化性較弱,則I-還原性較強,因此,F(xiàn)e3+和I-之間可能會發(fā)生氧化還原反應(yīng)。
【學(xué)生活動1】設(shè)計實驗證明反應(yīng):2Fe3++2I-→2Fe2++I2
試劑:0.01mol/L的KI溶液、0.01mol/L的FeCl3溶液、0.1mol/L的KSCN溶液和CCl4。
【設(shè)計說明】用氯化鐵與碘化鉀證明化學(xué)反應(yīng)有一定限度,一些教師提出還可用“CCl4—K4Fe(CN)6法”“淀粉—KSCN法”[4]。
實驗設(shè)計見圖2。
【問題2】你認(rèn)為可能是哪些原因,使Fe3+不能全部消耗?
【設(shè)計說明】將少量FeCl3溶液與過量KI溶液混合后,F(xiàn)e3+仍然有剩余,說明正向反應(yīng)沒有完全進行到底,即反應(yīng)有一定限度嗎?不能。Fe3+不能全部消耗,可能存在以下三個原因:從體系內(nèi)考慮,還原性強的Fe2+可能會被氧化性較弱的I2氧化;氧化還原型離子反應(yīng)普遍比復(fù)分解型反應(yīng)速率慢;從環(huán)境因素看,可能是空氣中的氧氣將Fe2+氧化。
【學(xué)生活動2】設(shè)計實驗證明反應(yīng):2Fe2++I2 →2Fe3++2I-
試劑:0.005mol/L碘水、0.01mol/L FeCl2溶液、0.1mol/LKSCN溶液和CCl4。
【設(shè)計說明】Fe3+與I-反應(yīng)速率慢,是一個不可忽略的因素,需要在相同條件下證明逆反應(yīng)的存在,實驗設(shè)計見圖3。
基于以上實驗事實得出結(jié)論:相同條件下,反應(yīng)2Fe3++2I-2Fe2++I2是可逆的。
3.深挖實驗素材,建構(gòu)反應(yīng)限度概念
基于實驗信息(證據(jù))進行分析推理,認(rèn)識化學(xué)現(xiàn)象與數(shù)學(xué)模型之間的聯(lián)系,由宏觀到微觀,由微觀再走向宏觀,是促進學(xué)生形成科學(xué)概念的重要手段。
【學(xué)生活動3】若在t1時刻溶液顏色不再變化,請學(xué)生在圖4中畫出I2濃度隨時間變化的曲線。endprint
【問題3】從t1時刻開始,反應(yīng)“停止”了嗎?為什么?
【設(shè)計說明】引導(dǎo)學(xué)生由定性到定量認(rèn)識化學(xué)平衡狀態(tài)的基本特征,是反應(yīng)物和生產(chǎn)物濃度不再改變;之所以反應(yīng)沒有“停止”,是由于反應(yīng)物和生成物微粒共存于同一體系,微粒間的相互作用仍然存在。
【學(xué)生活動4】判斷圖4中A、B、C、D四點用Fe3+表示的正逆反應(yīng)速率大小,在圖5中畫出v(Fe3+)—t曲線。
【設(shè)計說明】認(rèn)識到化學(xué)平衡的實質(zhì)是動態(tài)平衡,宏觀表現(xiàn)為正逆反應(yīng)速率相等。A點時正反應(yīng)c(Fe3+)最大,正反應(yīng)速率最大;逆反應(yīng)生成的c(Fe3+)是0,逆反應(yīng)速率為0。B點時正反應(yīng)消耗的c(Fe3+)減小,正反應(yīng)速率減小;逆反應(yīng)生成的c(Fe3+)增大,逆反應(yīng)速率增大,v正(Fe3+)>v逆(Fe3+),因此仍然表現(xiàn)為c(Fe3+)減小。從C點到D點,正反應(yīng)消耗的c(Fe3+)與逆反應(yīng)生成的c(Fe3+)相等,v正(Fe3+)=v逆(Fe3+),表現(xiàn)為c(Fe3+)不再發(fā)生變化。這時教師要總結(jié)化學(xué)平衡狀態(tài)和化學(xué)反應(yīng)限度及其特征。
4.完善實驗探究,形成核心概念
無論是對學(xué)生還是科學(xué)家,科學(xué)活動和科學(xué)思維的目的都是為了理解世界,通過實驗探究,可以使學(xué)生體會完整的科學(xué)探究過程,優(yōu)化實驗教學(xué)設(shè)計,建構(gòu)合理的知識結(jié)構(gòu),從而有利于形成核心概念。例如,如果向圖2實驗中繼續(xù)加入0.1mol/L的KI溶液,振蕩,上層紅色變淺,由此你會得出什么結(jié)論?你怎樣認(rèn)識可逆反應(yīng)、化學(xué)平衡和化學(xué)反應(yīng)限度間的關(guān)系?
通過演示實驗,學(xué)生可以認(rèn)識到可逆反應(yīng)在一定條件下建立的化學(xué)平衡狀態(tài)是可以改變的,從而形成本節(jié)課的核心概念:可逆反應(yīng)在給定條件下有一定的限度,改變反應(yīng)條件可以在一定程度上改變反應(yīng)限度,即改變該反應(yīng)的化學(xué)平衡狀態(tài)。
三、反思
核心概念的形成需要大量的實證,運用分類與比較、宏觀與微觀、定性與定量相結(jié)合等化學(xué)思想方法,抽象概括出事物的關(guān)鍵特征。在教學(xué)過程中,實證越豐富,關(guān)鍵特征越明顯,越有利于核心概念的理解?;瘜W(xué)實驗是獲得實證的常用方式,學(xué)生需要根據(jù)實驗?zāi)康脑O(shè)計實驗,通過觀察并記錄實驗數(shù)據(jù)獲得實證。實踐表明,深入挖掘?qū)嶒灲虒W(xué)功能,有助于促進核心概念的形成,提高學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)。
參考文獻:
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[2]Vanessa Barker.Beyond Appearances:StudentsMisconceptions about Basic Chemical Ideas[R].A Report Prepared for the Royal Society of Chemistry.
[3]Bergquist,W.,Heikkinen,H.,StudentsIdeasregarding Chemical Equilibrium[J]. Journal of Chemical Education,1990,67(12).
[4]朱正德.氯化鐵溶液與碘化鉀溶液反應(yīng)限度實驗的設(shè)計[J].化學(xué)教學(xué),2012(4).
責(zé)任編輯:孫建輝endprint