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：

[1]Maskill，R.，Cachapuz，A.F.C.，Learning about the Chemistry Topic of Equilibrium[C].The Use of Word Association Tests to Detect Developing Conceptualizations. International Journal of Science Education，1989，11（1）.

[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