李琴 李發(fā)順

摘要：以“CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）;△H<0”制備甲醇為例，探索改變不同的外界條件（溫度.壓強(qiáng)、濃度、催化劑）對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡影響，把這些具體的影響結(jié)果呈現(xiàn)在平衡圖像中，以期學(xué)生理解平衡圖像的本質(zhì)并學(xué)會(huì)作圖。

關(guān)鍵詞：外界條件的改變;速率和平衡;圖像呈示;作圖

文章編號(hào)：1008-0546（2019）04-0055-05

中圖分類號(hào)：G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2019.04.016

一、教學(xué)準(zhǔn)備

平衡問(wèn)題是化學(xué)反應(yīng)原理的重要組成部分之一，在浙江省化學(xué)選考加試部分中，第30題中平衡問(wèn)題所占比重較大。如，在2015年10月選考第30題考查學(xué)生根據(jù)T-K圖像判斷△H的大小，及利用某反應(yīng)達(dá)到平衡后改變溫度后，作產(chǎn)物濃度c（CH3OH）與時(shí)間（t）變化趨勢(shì)圖;2016年4月選考30題考查的是擴(kuò)大容器體積改變壓強(qiáng)后，H2的物質(zhì)的量濃度c（H2）隨時(shí)間（t）變化定量圖;2016年10月考查學(xué)生利用某反應(yīng)達(dá)到平衡后改變溫度條件，作a（HCl）隨壓強(qiáng)?變化半定量趨勢(shì)圖，并要求考生利用碰撞理論解釋反應(yīng)快慢;2017年4月考查了化學(xué)平衡常數(shù)的計(jì)算及利用平衡移動(dòng)原理分析圖像，及不同溫度下的建立平衡的過(guò)程中產(chǎn)物物質(zhì)的量濃度c（CH4）隨時(shí)間（t）變化的半定量趨勢(shì)作圖，2017年11月考查了外界條件改變對(duì)平衡轉(zhuǎn)化率的影響，平衡的有關(guān)定量計(jì)算及反應(yīng)歷程和能量變化圖的作圖，2018年4月考查的是平衡產(chǎn)率的計(jì)算，及原料的投料比與產(chǎn)物的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)之間關(guān)系的半定量作圖等。對(duì)比六次考試，平衡知識(shí)大概占第30題的一半分?jǐn)?shù)，其重要性不言而喻，六次考試中均涉及到作圖問(wèn)題，解決這類作圖問(wèn)題需要引導(dǎo)學(xué)生注重對(duì)速率與平衡知識(shí)的深度理解及應(yīng)用，才能更好地讓學(xué)生把外界條件的變化而引起的物理量的變化清晰地表征在化學(xué)圖像中中。

1.課程標(biāo)準(zhǔn)與考試說(shuō)明

基于《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》的相關(guān)課程目標(biāo)，落實(shí)“化學(xué)反應(yīng)的限度和速率”教與學(xué)的要求，結(jié)合浙江省近六次的平衡題考查特點(diǎn)，對(duì)原理圖的作圖部分做了以下教學(xué)研討。

2.作圖題教學(xué)要點(diǎn)

（1）作圖題的理論依據(jù)是速率理論和平衡移動(dòng)原理。因此在教學(xué)中應(yīng)重視學(xué)生對(duì)理論的深度理解，突破理解上的重難點(diǎn)：如升高溫度，正逆反應(yīng)速率都升高，只是升高的程度大小不同;增大濃度，反應(yīng)速率增大（但當(dāng)往體系中加入某一物質(zhì)時(shí)，若該物質(zhì)為固體和純液體時(shí)，不影響速率）;增大壓強(qiáng)加快反應(yīng)速率，必須引起參.與反應(yīng)的物質(zhì)的濃度變化才可能引起速率的變化;催化劑同等程度的改變正逆反應(yīng)速率但不影響平衡，催化劑的活性受溫度等外界條件的影響等。

（2）作圖題的畫(huà)圖要求：起點(diǎn)、終點(diǎn)和變化趨勢(shì)。學(xué)會(huì)分析題意，弄清楚起點(diǎn)和終點(diǎn)是定性點(diǎn)，還是定量點(diǎn)，弄清變化趨勢(shì)。

（3）化學(xué)作圖的突破：弄清反應(yīng)的類別是指單一反應(yīng)、平行反應(yīng)或連續(xù)反應(yīng);弄清外界條件的改變是對(duì)速率和平衡的單一影響還是同時(shí)影響，所作曲線是平衡曲線還是非平衡狀態(tài)至建立平衡的曲線等。

3.教學(xué)設(shè)計(jì)思路

在老師的引導(dǎo)下，學(xué)生體會(huì)并掌握原理作圖題的解題思路：分析題干找準(zhǔn)反應(yīng)（單一反應(yīng)還是多個(gè)反應(yīng)）→明確改變的具體條件→分析物理量變化趨勢(shì)（以速率理論和平衡移動(dòng)原理為依據(jù)）→確定起點(diǎn)（定性或定量）、終點(diǎn)（定性或定量）→作出平滑曲線，整個(gè)教學(xué)設(shè)計(jì)遵循由簡(jiǎn)入難，由溫度、壓強(qiáng)、濃度和催化劑四條線并行但又遵循難度螺旋式上升的思路進(jìn)行。

二、教學(xué)實(shí)施與實(shí)證

1.面對(duì)真題，熟悉問(wèn)題

老師整理了近六次考試原理部分高考原題發(fā)給學(xué)生練習(xí)，學(xué)生在答題中寫(xiě)下解題中自己思考出發(fā)點(diǎn)及遇到的困難，師生共同批改與分析這類問(wèn)題解決的出發(fā)點(diǎn)和思路，認(rèn)識(shí)原理試題背后的命題出發(fā)點(diǎn)和命題設(shè)計(jì)意圖，學(xué)生體驗(yàn)高考題原理部分考什么？怎樣思考？圖像中信息如何采集？怎樣答題與作圖？

2.試題研討，課堂設(shè)計(jì)與實(shí)證

高考題情景引入，學(xué)生體會(huì)作圖題的本質(zhì)即是能運(yùn)用濃度、壓強(qiáng)、溫度、催化劑等外界條件的改變對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率和平衡的影響規(guī)律，以此推測(cè)速率的改變情況，平衡移動(dòng)方向及濃度、轉(zhuǎn)化率等相關(guān)物理量的變化趨勢(shì)。

（1）關(guān)于溫度的改變對(duì)速率和平衡的影響圖示與實(shí)證

一定條件下，由CO2和H2制備甲醇的過(guò)程如下：CO2（g）+3H2（g）==CH3OH（g）+H2O（g）△H<0，某溫度下，在體積為1L的密閉容器中按物質(zhì)的量n（CO2）：n（H2）=1：3投料。

問(wèn)題1：保持容器體積不變，至反應(yīng)達(dá)平衡后，在t時(shí)刻降低反應(yīng)溫度，直至達(dá)到新的平衡。

①建立新平衡的過(guò)程中，正、逆反應(yīng)的速率分別如何變化？

②試在圖1中畫(huà)出t時(shí)刻始，正逆反應(yīng)速率隨時(shí)間變化至平衡的示意圖。

③建立新平衡的過(guò)程中，甲醇的體積分?jǐn)?shù)如何變化？

④試在圖2中畫(huà)出t，時(shí)刻始，甲醇的體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間變化至平衡的示意圖。若縱坐標(biāo)換成物質(zhì)的量或甲醇的濃度？圖像走勢(shì)是否與圖2一樣？

⑤若其他條件相同，分別在不同的溫度下測(cè)定甲醇的平衡產(chǎn)率，試分析，隨著反應(yīng)溫度的升高甲醇的平衡產(chǎn)率如何變化？請(qǐng)?jiān)趫D3畫(huà)出隨溫度變化甲醇的平衡產(chǎn)率曲線圖。

⑥若其他條件相同，分別在同一時(shí)間內(nèi)測(cè)定不同溫度下甲醇的產(chǎn)率，在圖4畫(huà)出甲醇的產(chǎn)率隨時(shí)間變化的曲線圖.（450K時(shí)恰好為甲醇的平衡產(chǎn)率。）

設(shè)計(jì)意圖：由溫度的改變，對(duì)速率的影響入手，讓學(xué)生明確溫度的改變，同時(shí)影響正逆反應(yīng)速率，但改變的程度不同，因而引起平衡的移動(dòng)（本質(zhì)是溫度升高，化學(xué)平衡常數(shù)K值變化）。設(shè)置這組作圖題的目的是讓學(xué)生明確速率的變化趨勢(shì)與溫度的關(guān)系，及溫度改變，平衡移動(dòng)所引起的反應(yīng)物（或生成物）的濃度，反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率及產(chǎn)物的體積分?jǐn)?shù)等物理量的變化趨勢(shì)。

（2）關(guān)于壓強(qiáng)的改變對(duì)速率和平衡的影響圖示與實(shí)證

一定條件下，由CO2和H2制備甲醇的過(guò)程如下：CO2（g）+3H2（g）-CH2OH（g）+H2O（g）△H<0，

某溫度下，在體積為1L的密閉容器中按物質(zhì)的量n（CO2）：n（H2）=1：3投料。

問(wèn)題2：恒容條件下，若反應(yīng)達(dá)到平衡后，在t時(shí)刻，將容器的體積擴(kuò)大至原來(lái)的一倍，至達(dá)到新的平衡。

①建立新平衡的過(guò)程中，正、逆反應(yīng)的速率分別如何變化？

②試在圖5中畫(huà)出ti時(shí)刻始，正逆反應(yīng)速率隨時(shí)間變化至平衡的示意圖。

③建立新平衡的過(guò)程中，甲醇的體積分?jǐn)?shù)如何變化？甲醇的濃度？

④試在圖6中畫(huà)出t時(shí)刻始，甲醇的體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間變化至平衡的示意圖。圖7中畫(huà)出甲醇的濃度隨時(shí)間變化至平衡的示意圖。

設(shè)計(jì)意圖：讓學(xué)生明確由改變?nèi)萜鞯捏w積而造成的壓強(qiáng)改變，會(huì)使體系中的各個(gè)氣體濃度同倍數(shù)改變，故正逆反應(yīng)速率都將改變，但平衡是否發(fā)生移動(dòng)及移動(dòng)的方向由反應(yīng)物和生成物各自總的氣體數(shù)決定。設(shè)置這組作圖題的目的是讓學(xué)生明確速率的變化趨勢(shì)與壓強(qiáng)的關(guān)系，解決這類問(wèn)題，必須首先明確壓強(qiáng)的改變是否引起反應(yīng)體系中氣體濃度的改變，然后確定反應(yīng)速率的變化趨勢(shì)及平衡移動(dòng)的方向，從而進(jìn)一步確定反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率及產(chǎn)物的體積分?jǐn)?shù)等物理量的變化趨勢(shì)。

問(wèn)題3：恒容條件下，若反應(yīng)達(dá)到平衡后，在t時(shí)刻，將容器的體積擴(kuò)大至原來(lái)的一倍，至達(dá)到新的平衡。

⑤建立新平衡的過(guò)程中，平衡移動(dòng)的方向？

⑥在圖8中畫(huà)出t時(shí)刻始，CO2的濃度隨時(shí)間變化至平衡的示意圖。

⑦在圖9中畫(huà)出t時(shí)刻始，CO2的體積分?jǐn)?shù)a隨時(shí)間變化至平衡的示意圖。

設(shè)計(jì)意圖：設(shè)置這組作圖題的目的是讓學(xué)生更深刻地體會(huì)，壓強(qiáng)的改變對(duì)液體或固體而言其影響可忽略。同時(shí)也讓學(xué)生體會(huì)此類題目隱含著定量問(wèn)題，需借助平衡常數(shù)來(lái)確定，改變條件前后雖然平衡發(fā)生了變化，但是CO2的體積分?jǐn)?shù)前后兩次平衡保持不變，難度有所增加。

（3）關(guān)于濃度的改變對(duì)速率和平衡的影響的圖示與實(shí)證

一定條件下，由CO2和H2制備甲醇的過(guò)程如下：

CO2（g）+3H2（g）==CH3OH（g）+H2O（g）△H3<0，某溫度下，在體積為2L的密閉容器中按物質(zhì)的量n（CO2）：n（H2）=1：3投料。

問(wèn)題4：保持容器體積不變，至反應(yīng)達(dá)平衡后，在t時(shí)刻，再次充入一定量的H2，直到達(dá)到新的平衡。

①建立新平衡的過(guò)程中，正、逆反應(yīng)的速率分別如何變化？

②在圖10中畫(huà)出t時(shí)刻始，正逆反應(yīng)速率隨時(shí)間變化至平衡的示意圖。

問(wèn)題5：保持容器體積不變，至反應(yīng)達(dá)平衡，此時(shí)CO2的轉(zhuǎn)化率為50%，在t時(shí)刻，往容器中再充入等物質(zhì)的量的CO2和CH3OH，至達(dá)到新的平衡。

①建立新平衡的過(guò)程中，正、逆反應(yīng)的速率分別如何變化？

②在圖11中畫(huà)出t時(shí)刻始，正逆反應(yīng)速率隨時(shí)間變化至平衡的示意圖。

③保持容器體積不變，至反應(yīng)達(dá)平衡，此時(shí)CO2的轉(zhuǎn)化率為50%，若二氧化碳和氫氣的物質(zhì)的量之比為n（CO2）：n（H2）=1：a，相應(yīng)平衡體系中甲醇的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為x，請(qǐng)?jiān)趫D12中畫(huà)出甲醇的體積分?jǐn)?shù)隨a的變化示意圖。

設(shè)計(jì)意圖：濃度的改變對(duì)平衡和速率的影響，通常題給信息是通過(guò)加入一定量的物質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)某一物質(zhì)濃度的改變，此處需讓學(xué)生明確幾個(gè)點(diǎn)：一、加入的物質(zhì)若是固體和純液體則不影響速率和平衡;二、若加入單一物質(zhì)改變反應(yīng)物或生成物的濃度，則利用勒夏特列原理即可定性判斷平衡移動(dòng)的方向;三、若同時(shí)改變反應(yīng)物和生成物的濃度，則往往需借助化學(xué)平衡常數(shù)K值進(jìn)行定量判斷。這一組作圖題的梯度遵循由一個(gè)物質(zhì)到多個(gè)物質(zhì)濃度改變，從定性判斷到定量判斷的設(shè)計(jì)思路。

（4）關(guān)于催化劑的改變對(duì)速率和平衡的影響的圖示與實(shí)證

一定條件下，由CO2和H2制備甲醇的過(guò)程如下：CO2（g）+3H2（g）==CH3OH（g）+H2O（g）△H3<0，某溫度下，在體積為1L的密閉容器中按物質(zhì)的量n（CO2）：n（H2）=1：3投料。

問(wèn)題6：保持容器體積不變，至反應(yīng)達(dá)平衡后，在t時(shí)刻加入催化劑A。

①在圖13中畫(huà)出t時(shí)刻始，正逆反應(yīng)速率隨時(shí)間變化至平衡的示意圖。

②如果在催化劑A作用下，CO2轉(zhuǎn)化率和時(shí)間的關(guān)系圖如下，解釋CO2轉(zhuǎn)化率變化的原因？

③在圖14畫(huà)出催化劑B作用下CO2轉(zhuǎn)化率變化隨溫度變化的曲線。（催化劑B催化效果比催化劑A效果差，催化劑均未失效。）

④若在同一時(shí)間不同溫度下的CO2轉(zhuǎn)化率變化如圖15所示，當(dāng)溫度在200°C以下時(shí)CO2轉(zhuǎn)化率幾乎為0，當(dāng)溫度在450°C-600°C之間時(shí)CO2轉(zhuǎn)化率緩慢下降，超過(guò)600°C后CO2轉(zhuǎn)化率突然下降。解釋曲線變化的原因。

⑤當(dāng)換成催化劑B后，在相同的條件下測(cè)定CO2轉(zhuǎn)化率，變化曲線如圖16所示，請(qǐng)判斷該曲線X點(diǎn)是否是平衡點(diǎn)？請(qǐng)解釋原因。前半段曲線上升的原因？后半段曲線有所下降的可能原因？

設(shè)計(jì)意圖：設(shè)置這組作圖題的目的是讓學(xué)生明確，催化劑的加入同等程度的改變化學(xué)反應(yīng)速率但不改變平衡;對(duì)于催化劑本身，不同的催化劑催化效率不同，且催化效率的高低會(huì)受外界條件的影響，如溫度、pH值、顆粒的大小等，這組習(xí)題主要討論不同溫度下催化劑對(duì)反應(yīng)速率的影響，即溫度的改變不僅會(huì)影響原有反應(yīng)的速率和平衡，也會(huì)影響催化劑的催化效率，導(dǎo)致不同溫度下催化效率不同而使反應(yīng)速率有所變化。本習(xí)題在設(shè)置的時(shí)候，由單個(gè)催化劑到多個(gè)催化劑對(duì)同一反應(yīng)的影響，由溫度升高過(guò)程中催化劑有效到失效，由平衡曲線到不平衡至建立平衡再到溫度升高破壞平衡等入手，使外界的條件的改變對(duì)平衡的影響復(fù)雜化，但層層遞進(jìn)以便于學(xué)生更深層次地理解，這樣的作圖題為學(xué)生讀懂復(fù)雜的原理圖像做好了鋪墊。

3.問(wèn)題解決，模型構(gòu)建

通過(guò)這節(jié)課的教學(xué)幫助學(xué)生掌握相關(guān)原理作圖題的解題思路：分析題干找準(zhǔn)反應(yīng)（單一反應(yīng)還是多個(gè)反應(yīng)）→明確改變的具體條件→分析物理量變化趨勢(shì)（以速率理論和平衡移動(dòng)原理為依據(jù)）→確定起點(diǎn)（定性或定量）、終點(diǎn)（定性或定量）→繪制平滑曲線。

三、教學(xué)反思

化學(xué)圖像的突出特征是直觀、簡(jiǎn)潔，能清晰表征物理量隨外界條件的變化過(guò)程，但要把這種宏觀變化微粒變化和符號(hào)畫(huà)在圖像上難度頗大，單純的題海戰(zhàn)術(shù)雖能提升學(xué)生解題的熟練程度，但這種基于知識(shí)的淺層復(fù)習(xí)會(huì)造成知識(shí)的碎片化、理解的膚淺化、思維的呆板化，因此在復(fù)習(xí)的時(shí)候需要進(jìn)行深度復(fù)習(xí)，幫助學(xué)生透徹理解圖像背后隱藏的本質(zhì)問(wèn)題。故本節(jié)課的設(shè)計(jì)遵循兩條主線：（1）從外界條件（溫度、壓強(qiáng)、濃度、催化劑）的改變對(duì)速率和平衡的影響出發(fā)，著力掃清學(xué)生在理解這些知識(shí)點(diǎn)中易錯(cuò)、易混淆的部分。（2）遵循從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的呈現(xiàn)原則，由單一溫度改變?nèi)胧?，再討論單一壓?qiáng)改變，但在壓強(qiáng)一處進(jìn)行了變式，即產(chǎn)物的狀態(tài)改變后，平衡出現(xiàn)了特殊變化。在討論濃度因素時(shí)，從改變單一物質(zhì)的濃度到改變多個(gè)物質(zhì)的濃度，同時(shí)引入了定量的計(jì)算。當(dāng)討論催化劑問(wèn)題時(shí)，由單一催化劑的影響，轉(zhuǎn)變?yōu)槎啻呋瘎┯绊?，由溫度改變不僅影響催化劑的活性，同時(shí)還引起反應(yīng)速率和平衡的移動(dòng)，問(wèn)題設(shè)置更趨復(fù)雜。

1.圖像問(wèn)題何時(shí)要注意定量或半定量關(guān)系

作圖中常見(jiàn)的圖形從自變量的角度看：一是以時(shí)間為自變量的圖像;二是以壓強(qiáng)和溫度為自變量的圖像，從知識(shí)載體角度看：一是化學(xué)平衡特征的應(yīng)用，二是勒夏特列原理的應(yīng)用，三是速率與平衡知識(shí)的綜合運(yùn)用4），三是平衡常數(shù)的具體應(yīng)用。

常見(jiàn)的作圖方式有：V-t圖、c-t圖、體積分?jǐn)?shù)a%-T圖等。對(duì)于V-t圖一般無(wú)需定量，但是需要注意V正和V逆起點(diǎn)的位置和變化趨勢(shì)。對(duì)于c-t圖起點(diǎn)作圖通常如下：溫度改變，起點(diǎn)濃度不變;加入某一物質(zhì)改變濃度，起點(diǎn)該物質(zhì)濃度突變，其他物質(zhì)不變;改變壓強(qiáng)，起點(diǎn)氣體濃度改變;加入催化劑，起點(diǎn)濃度不變，c-t圖終點(diǎn)如需定量，則題干中必有相關(guān)數(shù)據(jù)信息（或隱含信息），借助K值，利用平衡計(jì)算中的“三段式”法算出即可。對(duì)于轉(zhuǎn)化率a-t和體積分?jǐn)?shù)a%-T圖，起點(diǎn)和終點(diǎn)都有可能是定性或者定量點(diǎn)，若是定性，則只需判斷其變化趨勢(shì)與原平衡比是增大或是減小即可，若是定量則必定有相關(guān)數(shù)據(jù)信息，而這些信息往往在作圖之前已有部分?jǐn)?shù)據(jù)（如平衡常數(shù)K值，轉(zhuǎn)化率或者濃度變化等）已做過(guò)計(jì)算或可從題中直接獲取。

2.找準(zhǔn)學(xué)生圖像問(wèn)題解決中的難點(diǎn)

學(xué)生對(duì)作圖題心理上會(huì)存在些恐懼感，問(wèn)題主要來(lái)源于一部分學(xué)生看不懂題目，不會(huì)審題，原有的理論知識(shí)根本用不上，所以需要加強(qiáng)審題上的指導(dǎo);另一部分同學(xué)能準(zhǔn)確找出條件改變之后圖像的變化趨勢(shì)，但對(duì)于定量的概念模糊，相比較于起點(diǎn)，往往更容易忽略終點(diǎn)的定量，在教學(xué)中應(yīng)強(qiáng)化定量判斷。

在教學(xué)中教師要從多角度提供化學(xué)反應(yīng)原理圖像的變式訓(xùn)練讓學(xué)生判斷，或設(shè)計(jì)有一定梯度的習(xí)題讓學(xué)生思考，引導(dǎo)學(xué)生由淺入深，逐漸提高解題能力;在訓(xùn)練中要注重啟迪學(xué)生解題思路，提高學(xué)生分析和解決問(wèn)題的能力，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)概念和原理本質(zhì)的理解，使作圖題迎刃而解[5]。

參考文獻(xiàn)

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