化学平衡问题在近几年高考中的考查趋势与教学策略

PAGEPAGE4选修阶段的化学平衡教学，成功的关键在“适度”和“有序”程俊广东实验中学，广东广州510055摘要：为了探索新课程与新高考形势下的化学平衡教学，笔者深入分析了近三年高考以来平衡问题的考查维度，深入分析了平衡各问题的内在逻辑架构，提出：要在“适度”前提下，根据学生能力基础和知识内在逻辑进行逐层递进的问题设置，使学生能力循序渐进，最终达到创造性的解决问题的目的。关键词：维度、循序渐进、创造性化学平衡问题一直是高中化学最富有思维深度和理论价值的问题，但因其教学深度、维度难以把握，所以，教学中容易出现因层次、难度设置不当而导致的思维混乱。而在新的课程标准和新的高考形势下，平衡问题又有了新的动向，此时，一味的借用过去成熟的教学思想和套路是行不通的，根据对近几年高考趋势的分析和平衡理论的深入理解，笔者认为，选修阶段化学平衡教学成功的关键在于做到“适度”和“有序”。从近几年高考动向看平衡教学的“度”全面分析对比近三年高考的全国各地考题，无论是否实施新课程的省份与地区，有些“度”的把握是一致的。1.1一些旧课程中的传统难题近乎绝迹1.1.1等效平衡问题考查的分值越来越少，三年来每年全国大约一共一道选择题，而且基本都在还没有实施新课程的地区。即使是这两年全国Ⅱ和北京的两道题，也可以不必用到等效平衡的概念来解决，更不必要总结等效平衡的种种情况。1.1.2单纯的计算问题，甚至是利用压强变化、密度变化来进行的计算问题不再出现。1.1.3对建立模型等解题技巧的考查基本不再出现。其实，这些问题本身并不是平衡的核心和本质问题，主要是数学、模型等方法在平衡中的应用。他们增加了平衡问题的难度，而且使得擅长化学应用型思维的学生并不具有优势。1.2应用型、信息型问题比重加大1.2.1沙特列原理和平衡常数的应用，考查的分值非常大。具体来讲是各种因素对平衡状态的影响，即平衡会向哪个方向移动？原料利用率、产率会增大还是减小？平衡常数变大还是变小？新的平衡状态是怎样的？并且将结论应用到生产、生活的实例中。几乎每一个题目都涉及到基本原理的应用，这体现了化学科学的价值和学生学习化学的意义。1.2.2更加重视对数据图表等信息的分析归纳和加工。以前图像解析一直是平衡问题考查的重要方式，但是近两年又增加了通过数据变化趋势分析问题、归纳反应特征，09年更是有全国Ⅱ、浙江、广东卷中各有一道大题考查不同反应条件下的物理量变化绘图，对信息加工能力的要求更高了。通过以上两方面维度的分析，我们发现，新课程平衡问题不是难度上的增大或减小，也不是知识点的简单增减，而是对学生能力培养目标的变化，即淡化技巧训练、题型归类，强化对问题本质的理解，加强对应用能力、创新能力的培养，培养真正具有“化学学科素养”的人才。2教学中如何使学生能力循“序”渐进由上述高考问题的分析，可以发现，面向新的高考，通过题海战术不断训练解题技巧将徒劳无获，使学生在面对各种新的情境时无所适从。在选修阶段，学生是初学平衡理论，而不是复习，所以应该是打好理论基础，创设富有层次的、维度适当的问题情境，使学生在理论应用和创造中实现能力的逐步提升。因此，在下面，我们将平衡问题按照学生的接受能力和知识的内在逻辑进行分层，逐一落实，螺旋上升。2.1认识化学平衡状态不知道什么样的状态是平衡状态，不知道何时能到达平衡，就谈不上平衡的移动，谈不上勒沙特列原理的应用，因此，在学习平衡移动之前要站稳脚跟，把平衡状态认清了。要准确地认识平衡状态，知道平衡是如何建立的，需要以下两项知识储备：2.1.1学生要充分理解c、V、p、ω、ρ等物理量的含义及其变与不变的本质原因。因此，对于c、V、ρ、ω这些物理量我们要先复习，知道它们的基本公式；对于p这个陌生的物理量则要补充学习，我们可以不引入理想气体状态方程，但是要了解在等温等容的容器中，压强与物质的量成正比，理解恒温恒压的原理。而对于ф（体积分数）虽然概念陌生，但其实学生在学习阿伏伽德罗定律时已经理解了，此时只是加以提升。定量问题正好是必修化学的薄弱环节，一般的学生会感到很混乱和害怕，所以，此时加以总结会增强学生学习后续内容的自信心。例：一定温度下2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g),在10L容器中加入5molSO2和3molO2，当反应达到平衡时，有3molSO2发生了反应，则：平衡时SO3的量为__________、体积分数为__________。气体压强变为原来的___________。气体密度比原来__________。答案：3mol；46.15%；81.25%；相等。2.1.2能全面的分析发生化学反应的过程中究竟哪些物理量会发生变化，变化趋势是怎样的，最后怎样趋于动态的平衡。当有些物理量不再变时，就是到达平衡状态了。例：（08江苏卷，改编）将一定量的SO2和含0.7mol氧气的空气（忽略CO2）放入一定体积的密闭容器中，550℃时，在催化剂作用下发生反应：2SO2+O22SO3（正反应放热）。请回答：到达平衡之前，随着反应向右进行，下列物理量是否发生变化，怎样变化：a．SO3的浓度__________b．SO2百分含量_____________c．SO2的消耗速率____________d．SO3的生成速率______________e．容器中气体的压强__________f．容器中混合气体的密度_________答案：a.增大；b.减少；c.减小；d.增大；e.减小；f.不变。2.2理解化学平衡移动有时我们发现学生经过了大量的习题训练之后，往往会犯一些非常低级的错误，甚至不会判断平衡移动方向。很显然，这种情况的出现是因为学生在开始学习时就没有抓住问题的本质。因此，在学习勒沙特列原理的时候，一定要从本质上来解释，注意问题设计的层次性，先打好基础，实现学生能力的螺旋式上升，而不是让学生死记住一些结论。我们把化学平衡移动教学分为以下几个层次：2.2.1通过典型实验认识外界因素对化学平衡的影响，了解化学平衡发生移动的外在特征，能结合温度、浓度、压强将勒沙特列原理的表述具体化。如人教版选修4有关于和平衡体系的实验根据这个实验【1】，可以设计下列问题让学生思考：例：对于如下反应：2NO2(g)N2O4(g)ΔH<0，维持容器的体积不变，将装有混合气体的玻璃球放在热水中，(1)气体颜色________，化学平衡有无发生移动_________?原因是_____________________________________。(2)是否又到达了新的平衡状态________?原因是______________________________。(3)说明升高温度，平衡向__________方向移动。答案：(1)变深；发生了移动；无色N2O4(g)浓度减小，红棕色NO2(g)浓度增大.(2)到达了新的平衡状态；维持温度不变，气体的颜色不再改变；(3)吸热反应。2.2.2微观解释化学平衡为何可以移动。例：对于如下反应：2NO2(g)N2O4(g)ΔH＜0，从微观角度看，对体系升高温度，正反应速率__________，逆反应速率_______，（填“增大”、“减小”或“不变”），然后_________________________________________，请画出从原平衡到新平衡的v-t图。答案：瞬间增大；瞬间增大；正反应速率逐渐增大，逆反应速率逐渐减小，直至二者相等。v-t图见图1。图1图2通过对于多个实验的剖析，我们可以得出化学平衡移动的实质原因与判断标准：v正与v逆的大小比较。2.2.3举出一些实例，让学生分析化学平衡将会怎样移动，并写出分析的步骤。例：光照黄绿色的氯水一段时间，现象是_______，说明平衡向____方向移动了。改变的条件是_______，移动的原因是_________________，请画出从原平衡到新平衡的v-t图。答案：氯水颜色逐渐变浅；正方向；光照使HClO浓度降低；在Cl2+H2OH++Cl-+HClO平衡体系中，生成物的浓度降低，使平衡向右移动。v-t图见图2。2.3理解平衡常数及其价值笔者曾经用物理化学专家高盘良教授的话对学生隆重介绍化学平衡常数。他说：“勒夏特列原理是经验性的原理没有理论基础，是定性的规律没有定量的计算。它的科学的、严格的表述是：均相、封闭体系，当只有某一个因素改变的时候，平衡会向相抵消外来因素的改变的方向移动。如果违反了这个前提，可能会得到错误的结论。所以勒夏特列原理并不是普遍遵守、什么情况下都可以用的。”“平衡常数是热力学理论解决化学反应问题的伟大成果，是建立在严谨的理论基础之上的。无论在理论上还是指导实践中，都发挥着巨大的作用。利用平衡常数判断平衡移动方向，不管开放体系还是混相体系，不管是单一因素还是多因素，都是可以使用，因此，它可以解决更广泛的问题。”【2】然后给学生介绍大学教材里是先介绍平衡常数，然后通过计算得出各种结论，最后总结勒夏特列原理。这段话虽然很长，但是学生听得很认真、安静。学生很需要教师帮他们整理一下所学习理论的优势、局限性和相互关系。因此，我们的教学应让学生感受到平衡常数的重要价值，并学会应用。2.3.1一定温度下，将浓度商的数值与平衡常数进行比较，理解平衡状态的建立过程或平衡移动的方向。还可以利用平衡常数来计算新的投料状况下的原料转化率；例1：高炉炼铁中发生的基本反应如下:FeO(s)+CO(g)Fe(s)+CO2(g)；△H>0其平衡常数可表达为:K=c(CO2)/c(CO)，已知1100℃，K=0.263，1100℃时，测得高炉中c(CO2)=0.025mol/L，c(CO)=0.1mol/L，在这种情况下该反应是否处于平衡状态_______(填“是”或“否”)，此时化学反应向方向进行，其原因是答案：否；正反应；此时浓度商Qc=c(CO2)/c(CO)=0.25，Qc<K。例2：(2007年广东卷)黄铁矿(主要成分为FeS2)是工业制取硫酸的重要原料，其煅烧产物为SO2和Fe3O4。将0.050molSO2(g)和0.030molO2(g)放入容积为1L的密闭容器中，反应2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)在一定条件下达到平衡，测得c(SO3)＝0.040mol/L。计算该条件下反应的平衡常数K和SO2的平衡转化率。答案：1.6×1032.3.2另外，既然平衡常数比勒沙特列原理更加普适，我们可以将曾经定性判断的问题拿来改编，通过平衡常数的定量计算来映证原来通过勒沙特列原理定性得到的结论。例：已知CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)，800℃K=1.0；求恒温恒容体系中，用c(CO):c(H2O)=1:1或1:4开始，达到平衡时CO的转化率。当c(CO):c(H2O)=1:n时呢？通过对两平衡中CO和H2O(g)的转化率的对比，说明什么?答案：c(CO):c(H2O)=1:1时，CO转化率为50%，H2O转化率为50%；c(CO):c(H2O)=1:4时，CO转化率为80%，H2O转化率为20%；当c(CO):c(H2O)=1:n时，CO转化率更大，但不可能为100%，H2O转化率更小，但不可能为0。说明提高一种反应物的浓度可以提高另一种反应物的转化率，自身转化率下降，但并非呈直线性变化。以上结论要通过勒沙特列原理凭空推理，恐怕是很难让学生信服的。2.4应用平衡理论创造性地解决问题2.4.1解决实验或生产实际中的问题必修和选修4是高考的重点，我们将必修中不能深入探讨的可逆反应拿来作为实例，用化学反应速率和化学平衡的理论加以解释与深化，可以加强学生对理论的理解与应用，同时可以使新课程中被削弱的元素化合物知识得以丰富和提升。例：氯气与水反应，Cl2+H2OH++Cl-+HClO达平衡后，A、加入氢氧化钠发生什么反应？B、久置氯水的成分是什么？为什么？C、次氯酸钠中加浓盐酸会发生什么反应？D、为什么氯气难溶于饱和食盐水？E、加入NaHCO3固体，c(HClO)将如何变化？答案：A、加入氢氧化钠，中和生成物中的酸，是平衡向右移动，最终生成NaCl和NaClO；B、久置氯水的成分是稀盐酸，因为HClO逐渐分解，使平衡向右移，最终都变成稀盐酸；C、次氯酸钠中加浓盐酸，相当于上述平衡中生成物浓度变大，使平衡向左移动，会产生氯气；D、饱和食盐水中c(Cl-)较大，相当于增加了上述平衡中生成物的浓度，使平衡向左移动，抑制氯气的溶解；E、加入NaHCO3固体，盐酸会与NaHCO3反应，c(H+)下降，使平衡向右移动，c(HClO)增加。勒沙特列原理在化学与技术问题中的应用体现了化学反应原理的学习意义和理论价值，即化学反应速率理论解决反应的时间问题、平衡理论解决转化率问题，综合考虑二者才能提高工业生产的综合效益。化学因此而显现魅力，因此，我们在教学时一定要重视，并让学生感受到乐趣。例：接触法制硫酸的核心反应是2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)，其△H＜0。（1）生产中用过量的空气能使SO2的转化率____（填“增大”、“减小”、“不变”），该反应为何在常压下进行___________________，选择400℃的主要原因是_______________。SO3SO2t0t1t2t3t4时间(min)C(mol·L-1)O21.00.2（2）右图SO3SO2t0t1t2t3t4时间(min)C(mol·L-1)O21.00.2图3（3）若在t4时将氧气的浓度增大0.1mol/L，请按要求在下图画出变化情况。图4图5另外，工业生产中的实际不同于我们习题中的理想状况，比如有时会中途改变投料，我们应该设计一些实际的问题让学生解决。（4）若在t2-t3中的某一时间点将氧气的浓度增大0.1mol/L，变化又如何用图像表示呢？答案：（1）增大，常压下已经有较大的反应速率和转化率，可节约成本；该反应正方向是放热反应，温度太高会降低SO3的产率，温度太低不利于催化剂的活性和反应速率的提高。（2）降低温度；22.2%；0.09L/mol；减小。（3）见图4。（4）见图5。（要求：变化趋势正确，且注意量的比例）2.4.2解决图像及数据信息问题关于图像解析题，要注意的是，一定不能让学生感觉化学平衡图像问题是一类新的问题。其实问题的实质没有发生变化，只不过问题出现的形式发生了变化，在解答时多了一点图像解析的技巧。所以，不建议在进行专题教学时全面归纳各种图像的类型和解题模式，限制了学生的思维，要学生自己掌握普遍方法后具体问题具体分析。我们更应该关注的是目前高考中的一个新兴热点难点问题，即学生自己绘制图像，而且目前教学素材并不是特别多，很多又是高考难度，解决的障碍较多，所以，我们可以自己编制一点题，比如，将识别图像题改为绘制图像题，或对数据信息题进行变式训练，学生只有深入理解了各条件下反应之间的关系，才能创造性地解决这类问题。例．（2001年上海卷，改编）某化学反应2A（g）B（g）+D（g）在四种不同条件下进行，B、D起始浓度为0，反应物A的浓度(mol/L)随反应时间（min）的变化情况如下表1：表1：实验序号时浓间度温度01020304050601800℃1.00.800.670.570.500.500.502800℃C20.600.500.500.500.500.503800℃C30.920.750.630.600.600.604820℃1.00.4000.200.20根据上述数据，完成下列填空：（1）在实验2，A的初始浓度C2=________mo/L，反应经20分钟就达到平衡，可推测实验2中还隐含的条件是_________________。（2）设实验3的反应速率为v3，实验1的反应速率为v1，则v3________v1（填＞、=、＜)，且c3_________1.0mol/L（填＞、=、＜)（3）比较实验4和实验1，可推测该反应的正反应是__________反应（选填吸热、放热）理由是_____________________________________________________________。（4）请画出4个反应中反应物A的浓度(mol/L)随反应时间（min）的变化的图像。画出3、4两个反应中生成物B的浓度(mol/L)随反应时间（mi