杜德祥

(昆明市第一中學(xué)，云南 昆明 650031)

“變化觀念與平衡思想” 是化學(xué)學(xué)科五個(gè)核心素養(yǎng)中最基本的核心素養(yǎng)，是學(xué)生了解、認(rèn)識(shí)、解決化學(xué)常見問(wèn)題的基礎(chǔ)。變化是化學(xué)永恒的主題，同時(shí)化學(xué)變化的過(guò)程又是守恒的，守恒是物質(zhì)世界運(yùn)動(dòng)的一大特點(diǎn)，是自然界最重要的基本規(guī)律。化學(xué)學(xué)科中同樣存在著守恒現(xiàn)象，物質(zhì)在發(fā)生化學(xué)變化的同時(shí)會(huì)滿足諸如：質(zhì)量守恒、物料守恒、能量守恒、電荷守恒、得失電子守恒等。能從不同的視角對(duì)紛繁復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行研究，揭示各類變化的特征和規(guī)律，能用對(duì)立統(tǒng)一、動(dòng)態(tài)平衡的觀點(diǎn)考察認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)，這是“變化觀念與平衡思想”的應(yīng)有之義。“變化觀念與平衡思想”包含幾個(gè)互為聯(lián)系的要素：變化的本質(zhì)、變化的表征、變化是定量的、變化是守恒的、變化伴隨能量變化、化學(xué)反應(yīng)速率、化學(xué)平衡理論、化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的方向等。本文側(cè)重探討如何建構(gòu)化學(xué)變化及變化中的平衡思想。

1 化學(xué)反應(yīng)中的變化和守恒關(guān)系

對(duì)化學(xué)變化的認(rèn)識(shí)：化學(xué)變化是原子進(jìn)行重新組合的過(guò)程。因此任何化學(xué)變化中都必然存在如下守恒關(guān)系：在化學(xué)變化的前后，任一原子的種類和個(gè)數(shù)都相等。質(zhì)量守恒定律是化學(xué)變化前后原子種類和原子個(gè)數(shù)不變的必然結(jié)果。質(zhì)量守恒定律是進(jìn)行化學(xué)(含離子)方程式配平、方程式正誤判斷、化學(xué)計(jì)算等的重要依據(jù)。僅舉一例來(lái)體會(huì)高考試題中的創(chuàng)新型試題對(duì)質(zhì)量守恒定律的考查。

例1(2017年全國(guó)理綜III卷節(jié)選)氟他胺G是一種可用于治療腫瘤的藥物。實(shí)驗(yàn)室由芳香烴A制備G的合成路線如下：

(3)⑤的反應(yīng)方程式為。吡啶是一種有機(jī)堿，其作用是。

【解析】根據(jù)逆向思維法，可容易推出F的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式為：

由此⑤的反應(yīng)中，兩種反應(yīng)物都已經(jīng)知道，而F的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式又已經(jīng)推出，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，可知另一種產(chǎn)物為HCl。所以本題的正確答案為：

；吸收反應(yīng)產(chǎn)物之一HCl，提高反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率。

2 化學(xué)式(含離子)中元素化合價(jià)的推導(dǎo)

某種元素可以形成不同的化合物，在這些化合物中，某種元素的化合價(jià)可能不相同，這可以理解為是同一元素在不同化合物中變化的具體內(nèi)容。但在任何一種化合物中都存在如下的守恒關(guān)系：各元素化合價(jià)的代數(shù)和為零，離子中則表現(xiàn)為：各元素化合價(jià)的代數(shù)和在數(shù)值上等于離子所帶的電荷數(shù)。

例3(2017年全國(guó)理綜I卷節(jié)選)Li2Ti5O15中Ti的化合價(jià)為+4，其中過(guò)氧鍵的數(shù)目為。

3 氧化還原反應(yīng)中的變化和守恒關(guān)系

氧化還原反應(yīng)的本質(zhì)是有電子轉(zhuǎn)移，表現(xiàn)形式為有元素的化合價(jià)發(fā)生變化。存在的守恒關(guān)系為：任何氧化還原反應(yīng)中，氧化劑得到的電子總數(shù)一定等于還原劑失去的電子總數(shù)，即化合價(jià)降低的總數(shù)一定等于化合價(jià)升高的總數(shù)。對(duì)氧化還原反應(yīng)的考查，形式多樣，但核心幾乎都是考查重要氧化劑、還原劑的性質(zhì)(變化)以及對(duì)變化中轉(zhuǎn)移的電子數(shù)的考查。

3.1 配平

從方法論的角度，化學(xué)方程式(含離子方程式)的配平，如果按照以下先后順序進(jìn)行，常?？梢云鸬绞掳牍Ρ兜男Ч瑥亩蟠筇岣吲淦剿俣龋赫_標(biāo)出化合價(jià)發(fā)生變化的元素的化合價(jià)→利用最小公倍數(shù)法，使化合價(jià)升高的總數(shù)等于化合價(jià)降低的總數(shù)→完善(配平化合價(jià)未變的金屬元素→配平酸根離子→配平H元素→配平O元素)，若是離子型反應(yīng)，在配平的“完善”環(huán)節(jié)，一般按如下順序進(jìn)行：配平化合價(jià)未變的金屬元素→使反應(yīng)前后電荷守恒，此時(shí)要高度注意反應(yīng)進(jìn)行的酸堿性環(huán)境，常常需要據(jù)此來(lái)添加H+、OH-或H2O以實(shí)現(xiàn)電荷守恒。

本題考核的是氧化還原反應(yīng)的最核心、最本質(zhì)的內(nèi)容即得失電子相等，按照上述方法，首先推出反應(yīng)前Fe、Cr和N的化合價(jià)依次為+2、+3和+5，反應(yīng)后Fe、Cr和N的化合價(jià)依次為+3、+6和+3，根據(jù)化合價(jià)升降總數(shù)相等的原則，可推出FeO·Cr2O3與NaNO3的系數(shù)比為2∶7。

3.2 書寫

例5(2017年全國(guó)理綜I卷節(jié)選)Li4Ti5O12和LiFePO4都是鋰離子電池的電極材料，可利用鈦鐵礦(主要成分為FeTiO3，還含有少量MgO、SiO2等雜質(zhì))來(lái)制備，工藝流程如下：

寫出“高溫煅燒②”中由FePO4制備LiFePO4的化學(xué)方程式。

【解析】由題中圖示可知反應(yīng)物為FePO4、Li2CO3、H2C2O4，而產(chǎn)物之一為L(zhǎng)iFePO4，F(xiàn)e的化合價(jià)由+3降低為+2，H2C2O4中C的化合價(jià)為+3，根據(jù)原子結(jié)構(gòu)和元素化合物的基礎(chǔ)知識(shí)，反應(yīng)后C的化合價(jià)必定會(huì)升高變?yōu)?4，高溫條件下會(huì)生成CO2，這樣就有FePO4+Li2CO3+H2C2O4→LiFePO4+CO2，根據(jù)化合價(jià)升降總數(shù)相等可得2FePO4+Li2CO3+1H2C2O4→2LiFePO4+CO2。值得注意的是，產(chǎn)物CO2不僅來(lái)自于H2C2O4，還來(lái)自于Li2CO3，但經(jīng)過(guò)上述操作后就確保了化合價(jià)升降總數(shù)相等，最后再經(jīng)完善得：2FePO4+1Li2CO3+1H2C2O4→2LiFePO4+3CO2+H2O，省略數(shù)字“1”，可得由FePO4制備LiFePO4的化學(xué)方程式為：2FePO4+Li2CO3+H2C2O4=2LiFePO4+3CO2+H2O。

3.3 電化學(xué)中的變化和守恒關(guān)系

電化學(xué)(含原電池和電解池)其實(shí)是氧化還原反應(yīng)應(yīng)用的一個(gè)特殊領(lǐng)域，有電子轉(zhuǎn)移是其本質(zhì)。普通氧化還原反應(yīng)中電子的得失是同時(shí)、同處發(fā)生，而電化學(xué)中的電子轉(zhuǎn)移卻是同時(shí)但不同處發(fā)生，這樣就必然出現(xiàn)電子的定向移動(dòng)，由此就蘊(yùn)含著電化學(xué)中的很多“變化”。守恒關(guān)系是：無(wú)論發(fā)生何種變化，一個(gè)電極失去的電子總數(shù)一定等于另一個(gè)電極得到的電子總數(shù)。這是電化學(xué)中的變與不變的對(duì)立統(tǒng)一。

A.負(fù)載通過(guò)0.04 mol電子時(shí)，有0.224 L(標(biāo)準(zhǔn)狀況)O2參與反應(yīng)

B.正極區(qū)溶液的pH降低、負(fù)極區(qū)溶液的pH升高

C.電池總反應(yīng)為4VB2+11O2+200H-+6H2O=8B(OH)4-+4VO43-

D.電流由復(fù)合碳電極經(jīng)負(fù)載、VB2電極、KOH溶液回到復(fù)合碳電極

4 水溶液中的變化和守恒關(guān)系

水溶液中的變化，一般包括電離、水解以及可能存在的一些反應(yīng)；而守恒常常指的是三大守恒關(guān)系即質(zhì)子守恒、電荷守恒、物料守恒。

在實(shí)際的教學(xué)過(guò)程中，可以讓學(xué)生思考并寫出如NH4Cl、NaHCO3等溶液中的各種守恒關(guān)系以及由這些等式關(guān)系推出的一些其它等式或不等式關(guān)系。對(duì)水溶液中的這種“變化觀念與平衡思想”的考查，在歷年的高考中也受到了充分的重視，如2017年高考理綜I卷第13題、2017年高考理綜II卷第12題等，因此應(yīng)引起師生足夠的重視。

5 核反應(yīng)中的變化和守恒關(guān)系

“變化”為：核素等發(fā)生了變化?！笆睾恪睘椋鹤兓昂筚|(zhì)子數(shù)、電子數(shù)、質(zhì)量數(shù)、中子數(shù)等不變。

【解析】由核反應(yīng)前后質(zhì)量數(shù)相等，有w+4=30+1，得w=27，再根據(jù)原子結(jié)構(gòu)以及“元素X、Y的最外層電子數(shù)之和為8”，得z=13，即X為鋁元素，Y為磷元素。容易推得本題答案為B。

6 熱反應(yīng)中的變化和守恒關(guān)系

熱反應(yīng)中的變化包括物質(zhì)狀態(tài)的變化以及變化過(guò)程中反應(yīng)途徑、化學(xué)鍵等的變化，而守恒則是指描述能量守恒的蓋斯定律、舊化學(xué)鍵斷裂和新化學(xué)鍵生成過(guò)程中的能量變化等。

例8(2020年北京卷)依據(jù)圖示關(guān)系，下列說(shuō)法不正確的是( )

A. 石墨燃燒是放熱反應(yīng)；B. 1 mol C(石墨)和1 mol CO分別在足量O2中燃燒，全部轉(zhuǎn)化為CO2，前者放熱多；C. C(石墨)+CO2(g)=2CO(g) ΔH=ΔH1-ΔH2；D.化學(xué)反應(yīng)的ΔH，只與反應(yīng)體系的始態(tài)和終態(tài)有關(guān)，與反應(yīng)途徑無(wú)關(guān)。

【解析】石墨燃燒的ΔH1=-393.5 kJ·mol-1，為放熱反應(yīng)，故A選項(xiàng)正確；由圖示，1 mol C(石墨)和 1 mol CO分別在足量O2中燃燒，H依次為 -393.5 kJ·mol-1和 -283.0 kJ·mol-1，所以前者放熱多，故B選項(xiàng)正確；由蓋斯定律可推得C(石墨)+CO2(g)=2CO(g) ΔH=ΔH1-2·ΔH2，所以C選項(xiàng)錯(cuò)誤；D選項(xiàng)是蓋斯定律的具體內(nèi)涵，故正確。

例9(2019年海南卷)根據(jù)下圖中的能量關(guān)系，可求得C—H的鍵能為( )

A.414 kJ·mol-1；B.377 kJ·mol-1；C.235 kJ·mol-1；D.197 kJ·mol-1。

【解析】根據(jù)題圖可知 1 mol CH4(g)分解變成 1 mol C(g)和 4 mol H(g)，共吸收的能量是(75+717+864)kJ=1656 kJ，則C—H鍵的鍵能為 1656 kJ÷4 mol=414 kJmol-1，故選A。

7 溶液配制過(guò)程中的變化和守恒關(guān)系

變化：物質(zhì)的聚集狀態(tài)發(fā)生變化，有的甚至與水發(fā)生反應(yīng)；守恒：溶質(zhì)質(zhì)量在配制成溶液前后相等，或同種物質(zhì)在同一溫度下的飽和溶液，濃度相等。

例10 已知 20 ℃ 時(shí)，CuSO4飽和溶液的溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為17.2%。現(xiàn)向 20 ℃ 時(shí)的 100 g CuSO4飽和溶液中加入 3.20 g CuSO4(s)，求足夠長(zhǎng)時(shí)間后析出CuSO4·5H2O的質(zhì)量。

8 結(jié)語(yǔ)

變化觀念與平衡思想的關(guān)鍵在于變化與平衡，能認(rèn)識(shí)到物質(zhì)是不斷運(yùn)動(dòng)、變化的，能根據(jù)物質(zhì)結(jié)構(gòu)以及元素化合物的知識(shí)，具體準(zhǔn)確地分析出各個(gè)具體的化學(xué)變化中所發(fā)生的的“變化”的具體內(nèi)容，同時(shí)能用對(duì)立統(tǒng)一、動(dòng)態(tài)平衡的觀點(diǎn)深刻地分析變化和變化中存在的平衡關(guān)系，這樣才能達(dá)到化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)中之“變化觀念與平衡思想”的要求。