如何促進(jìn)反應(yīng)原理核心概念的形成

王福成

“化學(xué)反應(yīng)限度”是中學(xué)化學(xué)的一個(gè)教學(xué)難點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外的研究表明，學(xué)生對(duì)化學(xué)反應(yīng)限度的認(rèn)識(shí)一直存在較多誤區(qū)。例如，學(xué)生把可逆反應(yīng)達(dá)到化學(xué)反應(yīng)限度時(shí)的化學(xué)平衡與日常生活中的平衡等同起來(lái)，認(rèn)為所謂的平衡就是指靜止的、不變的狀態(tài)[1]，而非動(dòng)態(tài)平衡。學(xué)生不是把平衡混合物看作一個(gè)整體，而是認(rèn)為化學(xué)平衡的兩邊各自獨(dú)立進(jìn)行，在逆反應(yīng)開(kāi)始之前，反應(yīng)先往正方向進(jìn)行且達(dá)到完全，接著反應(yīng)又朝著逆方向進(jìn)行，如此反復(fù)交替，如同鐘擺運(yùn)動(dòng)[2][3]。

新課標(biāo)中明確要求應(yīng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)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(wèn)題引導(dǎo)，直指問(wèn)題核心—理解化學(xué)平衡的建立過(guò)程與本質(zhì)特征，缺乏實(shí)驗(yàn)根基。從教學(xué)目標(biāo)來(lái)看，如果簡(jiǎn)單地將“化學(xué)反應(yīng)限度”內(nèi)容定位于“通過(guò)實(shí)驗(yàn)認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)的限度”，就會(huì)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(jī)。

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(shí)的核心，對(duì)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(gè)重要維度，是建立“平衡觀”的起點(diǎn)，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(guò)程一樣，一定條件下進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)受到來(lái)自能量和熵的兩個(gè)方向的推動(dòng)：一方面傾向于達(dá)到能量的最低狀態(tài)，另一方面又力求實(shí)現(xiàn)熵的最大狀態(tài)。兩種推動(dòng)的效果正好相反，而又同時(shí)存在。“相同條件”“同時(shí)進(jìn)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(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，基本特征是體系中的所有組分的濃度不再繼續(xù)隨時(shí)間而改變。由于反應(yīng)物和生成物共存，到達(dá)平衡狀態(tài)時(shí)正逆反應(yīng)不會(huì)停止，其實(shí)質(zhì)是動(dòng)態(tài)平衡，宏觀表現(xiàn)為正逆反應(yīng)速率相等。此時(shí)，可逆反應(yīng)在該條件下達(dá)到最大程度，即反應(yīng)限度。當(dāng)條件改變時(shí)，這種動(dòng)態(tài)平衡就會(huì)被破壞，直至達(dá)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?cè)摲磻?yīng)的化學(xué)平衡狀態(tài)。因此，通過(guò)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(jiàn)圖1）。

基于以上分析，本節(jié)課的教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)為：理解可逆反應(yīng)的特征；認(rèn)識(shí)化學(xué)平衡狀態(tài)的特征和實(shí)質(zhì)。

二、挖掘?qū)嶒?yàn)教學(xué)功能，促進(jìn)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(shuō)過(guò)：“化學(xué)可以給人以知識(shí)，化學(xué)史更可以給人以智慧?！庇没瘜W(xué)史料創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境，可以充分反映人們?cè)谡J(rèn)識(shí)自然界過(guò)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(yùn)用知識(shí)的科學(xué)方法，養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度。

例如，鋼鐵生產(chǎn)是17世紀(jì)從英國(guó)開(kāi)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(shí)際用量，遠(yuǎn)高于按照化學(xué)反應(yīng)方程式計(jì)算所需的量，且從高爐頂端出來(lái)的氣體中總含有沒(méi)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(méi)有改變。這時(shí)教師就可以提問(wèn)學(xué)生：你能揭開(kāi)煉鐵工程師的困惑嗎？

2.自主實(shí)驗(yàn)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?jī)r(jià)值的化學(xué)問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生依據(jù)探究目的，設(shè)計(jì)并優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案，完成實(shí)驗(yàn)操作，對(duì)觀察記錄的實(shí)驗(yàn)信息（證據(jù)）進(jìn)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(wèn)題1】將0.01mol/L的FeCl3溶液與0.01mol/L的KI溶液混合，會(huì)發(fā)生怎樣的反應(yīng)？說(shuō)出你的依據(jù)。

【設(shè)計(jì)說(shuō)明】調(diào)研發(fā)現(xiàn)，學(xué)生尚未形成認(rèn)識(shí)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(shí)物質(zhì)性質(zhì)的三個(gè)視角—氧化還原、類別和元素周期律（表），但不會(huì)自覺(jué)地將三者有機(jī)結(jié)合，為此，教師設(shè)計(jì)了問(wèn)題1。Fe3+具有較強(qiáng)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(qiáng)，因此，F(xiàn)e3+和I-之間可能會(huì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)。

【學(xué)生活動(dòng)1】設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)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(jì)說(shuō)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖2。

【問(wèn)題2】你認(rèn)為可能是哪些原因，使Fe3+不能全部消耗？

【設(shè)計(jì)說(shuō)明】將少量FeCl3溶液與過(guò)量KI溶液混合后，F(xiàn)e3+仍然有剩余，說(shuō)明正向反應(yīng)沒(méi)有完全進(jìn)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(gè)原因：從體系內(nèi)考慮，還原性強(qiáng)的Fe2+可能會(huì)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(dòng)2】設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)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(jì)說(shuō)明】Fe3+與I-反應(yīng)速率慢，是一個(gè)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖3。

基于以上實(shí)驗(yàn)事實(shí)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(shí)驗(yàn)素材，建構(gòu)反應(yīng)限度概念

基于實(shí)驗(yàn)信息（證據(jù)）進(jìn)行分析推理，認(rèn)識(shí)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(jìn)學(xué)生形成科學(xué)概念的重要手段。

【學(xué)生活動(dòng)3】若在t1時(shí)刻溶液顏色不再變化，請(qǐng)學(xué)生在圖4中畫(huà)出I2濃度隨時(shí)間變化的曲線。endprint

【問(wèn)題3】從t1時(shí)刻開(kāi)始，反應(yīng)“停止”了嗎？為什么？

【設(shè)計(jì)說(shuō)明】引導(dǎo)學(xué)生由定性到定量認(rèn)識(shí)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(méi)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(dòng)4】判斷圖4中A、B、C、D四點(diǎn)用Fe3+表示的正逆反應(yīng)速率大小，在圖5中畫(huà)出v（Fe3+）—t曲線。

【設(shè)計(jì)說(shuō)明】認(rèn)識(shí)到化學(xué)平衡的實(shí)質(zhì)是動(dòng)態(tài)平衡，宏觀表現(xiàn)為正逆反應(yīng)速率相等。A點(diǎn)時(shí)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(diǎn)時(shí)正反應(yīng)消耗的c（Fe3+）減小，正反應(yīng)速率減??；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(diǎn)到D點(diǎn)，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(shí)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(shí)驗(yàn)探究，形成核心概念

無(wú)論是對(duì)學(xué)生還是科學(xué)家，科學(xué)活動(dòng)和科學(xué)思維的目的都是為了理解世界，通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究，可以使學(xué)生體會(huì)完整的科學(xué)探究過(guò)程，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)，建構(gòu)合理的知識(shí)結(jié)構(gòu)，從而有利于形成核心概念。例如，如果向圖2實(shí)驗(yàn)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(huì)得出什么結(jié)論？你怎樣認(rèn)識(shí)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(guò)演示實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以認(rèn)識(shí)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?cè)摲磻?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(shí)證，運(yùn)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(guò)程中，實(shí)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(shí)驗(yàn)是獲得實(shí)證的常用方式，學(xué)生需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)觀察并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得實(shí)證。實(shí)踐表明，深入挖掘?qū)嶒?yàn)教學(xué)功能，有助于促進(jìn)核心概念的形成，提高學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

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責(zé)任編輯：孫建輝endprint