正、逆反應(yīng)速率的概念辨析

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一、問題的提出

化學(xué)反應(yīng)速率是化學(xué)反應(yīng)原理的重要組成部分,是指某一物質(zhì)在單位時間內(nèi)物質(zhì)的量濃度的變化,通常用以表述化學(xué)反應(yīng)的快慢。《普通高中化學(xué)課程標準(2017 年版)》對化學(xué)反應(yīng)速率的教學(xué)要求是“知道化學(xué)反應(yīng)速率的表示方法,了解化學(xué)反應(yīng)速率的簡單方法[1]”。根據(jù)課程標準的要求,化學(xué)反應(yīng)速率的表示方法是高中化學(xué)知識的必講內(nèi)容。

化學(xué)平衡是在化學(xué)反應(yīng)速率和可逆反應(yīng)的基礎(chǔ)上提出的一個新的概念性知識,其中化學(xué)平衡的定義以及影響因素是高中化學(xué)的重點和難點[2]。改變平衡的條件,判斷平衡移動的方向更是高考中重要的考點。學(xué)習(xí)化學(xué)平衡不僅能夠加深學(xué)生對化學(xué)反應(yīng)速率的理解,而且是后續(xù)學(xué)習(xí)水解平衡、沉淀溶解平衡和電離平衡的基礎(chǔ),在化學(xué)反應(yīng)原理的學(xué)習(xí)中起著承上啟下的作用。掌握化學(xué)平衡的定義,在這一內(nèi)容學(xué)習(xí)中顯得尤為重要。國內(nèi)三套不同版本的高中化學(xué)教材對“化學(xué)平衡”的概念界定如表1 所示。

表1 高中化學(xué)教材中“化學(xué)平衡”的概念表述

通過比較發(fā)現(xiàn)三套教材對于化學(xué)平衡的定義并無太大差別,均提到了化學(xué)平衡的條件之一是正反應(yīng)速率和逆反應(yīng)速率相等。但教材中在講述化學(xué)反應(yīng)速率時并沒有涉及到正、逆反應(yīng)速率的概念,概念的缺失導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)此部分內(nèi)容時會產(chǎn)生以下困惑:

1.錯誤正逆反應(yīng)速率的含義

受到字面意思“正”和“逆”的影響,學(xué)生往往會認為正反應(yīng)速率是指用反應(yīng)物表示反應(yīng)速率,逆反應(yīng)速率是指用生成物表示的反應(yīng)速率[6]。以可逆反應(yīng)2SO2+O2?2SO3為例,學(xué)生可能會認為當反應(yīng)達到化學(xué)平衡狀態(tài)時υ(SO2)=υ(O2)=υ(SO3),這顯然是不正確的。

2.對凈反應(yīng)速率、正反應(yīng)速率和逆反應(yīng)速率之間的關(guān)系理解混亂

在可逆反應(yīng)的學(xué)習(xí)時,教師往往會告訴學(xué)生“凈反應(yīng)速率=正反應(yīng)速率-逆反應(yīng)速率”。由于在學(xué)習(xí)“化學(xué)反應(yīng)速率”的概念時,學(xué)生已經(jīng)知道用不同的物質(zhì)表示同一化學(xué)反應(yīng)在同一時間段內(nèi)的反應(yīng)速率其數(shù)值大小是不一定相同的。當學(xué)生看到這里的凈反應(yīng)速率、正反應(yīng)速率和逆反應(yīng)速率,聯(lián)想到化學(xué)反應(yīng)速率的概念,便會產(chǎn)生疑惑,這三種反應(yīng)速率用不同物質(zhì)表示時是不是不同? 如果是,這里指的是哪種物質(zhì)的反應(yīng)速率呢?

3.學(xué)習(xí)“化學(xué)平衡”時產(chǎn)生迷思概念

“化學(xué)平衡”是高中教學(xué)的重點和難點,研究表明,在學(xué)習(xí)化學(xué)平衡時學(xué)生會產(chǎn)生許多迷思概念[7],其中有很多都是因為對正反應(yīng)速率和逆反應(yīng)速率的錯誤理解造成的。例如,有學(xué)生會認為化學(xué)平衡狀態(tài)的標志是“A 的正反應(yīng)速率等于B 的逆反應(yīng)速率[8]”或“達到化學(xué)平衡時,體系內(nèi)各物質(zhì)的反應(yīng)速率相等[9]”。

毋庸置疑,學(xué)生在學(xué)習(xí)時產(chǎn)生以上困惑增加了學(xué)生學(xué)習(xí)的負擔,導(dǎo)致教學(xué)活動面臨“教師教的吃力,學(xué)生學(xué)的困難”的局面。通過文獻調(diào)研發(fā)現(xiàn),很多研究者指出了這方面存在的問題,但鮮有人給出清晰明確的解決方案[10]。

不難發(fā)現(xiàn),產(chǎn)生上述困惑的根本原是中學(xué)化學(xué)教材中缺乏對正反應(yīng)速率和逆反應(yīng)速率概念的清晰解釋。為了幫助學(xué)生更清晰、深入的理解正、逆反應(yīng)速率的內(nèi)涵,明確可逆反應(yīng)中三種化學(xué)反應(yīng)速率之間的關(guān)系,消除學(xué)習(xí)化學(xué)平衡概念時產(chǎn)生的迷思概念,本文將基于學(xué)生的認知水平,在可逆反應(yīng)的基礎(chǔ)上,借鑒教材中關(guān)于化學(xué)反應(yīng)速率的概念,嘗試定義了正反應(yīng)速率和逆反應(yīng)速率,推導(dǎo)在某一反應(yīng)體系中用不同物質(zhì)表示正反應(yīng)速率和逆反應(yīng)速率的公式,對凈反應(yīng)速率、正反應(yīng)速率和逆反應(yīng)速率之間的關(guān)系做詳細說明,并重新表述了化學(xué)平衡的定義。

二、概念界定

1.化學(xué)反應(yīng)速率

在學(xué)習(xí)正反應(yīng)速率和逆反應(yīng)速率之前,應(yīng)當首先知道何為“化學(xué)反應(yīng)速率”。中學(xué)教材對“化學(xué)反應(yīng)速率的定義”如表2 所示:

表2 高中化學(xué)教材中“化學(xué)反應(yīng)速率”的概念表述

查閱相關(guān)大學(xué)教材后發(fā)現(xiàn),關(guān)于“化學(xué)反應(yīng)速率概念”的表述與中學(xué)教材基本一致,如表3 所示:

表3 大學(xué)化學(xué)教材中“化學(xué)反應(yīng)速率”的概念表述

由表2 和表3 可知,無論是中學(xué)化學(xué)教材還是大學(xué)化學(xué)教材,“化學(xué)反應(yīng)速率”概念的表述均沒有涉及到可逆反應(yīng),而且很多教材中都指出可用“反應(yīng)物濃度的降低或生成物濃度的增加”來表示化學(xué)反應(yīng)速率,從這一點可以看出,對“化學(xué)反應(yīng)速率”的定義是將化學(xué)反應(yīng)默認為不可逆反應(yīng)。

以人教版化學(xué)教材選修4“化學(xué)反應(yīng)原理”為例,介紹化學(xué)反應(yīng)速率的表示方法:

化學(xué)反應(yīng)速率用單位時間內(nèi)反應(yīng)物或生成物的濃度變化來表示,通常是用單位時間內(nèi)反應(yīng)物濃度的減少或生成物濃度的增加來表示,即:

式中υ表示反應(yīng)速率。c 表示各反應(yīng)物或生成物濃度,△c表示其濃度變化(取其絕對值),t 表示時間,△t表示時間變化。

對任意一個反應(yīng),用符號來代替具體的化學(xué)物質(zhì),反應(yīng)的化學(xué)方程式表示為:

mA+nB=pC+qD

反應(yīng)體系中各物質(zhì)的濃度分別表示為:c(A),c(B),c(C),c(D),則某一物質(zhì)的反應(yīng)速率表示為:

化學(xué)反應(yīng)速率的大小可用化學(xué)反應(yīng)中任意一種物質(zhì)表示,其關(guān)系為:

式中υ表示此反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)速率,單位為(濃度·時間—1)。

由此可見,用不同物質(zhì)表示同一反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)速率時,由于各物質(zhì)在化學(xué)方程式中的化學(xué)計量數(shù)不同,因此表示出的化學(xué)反應(yīng)速率大小會有差異。

2.正反應(yīng)速率和逆反應(yīng)速率

中學(xué)化學(xué)中可將化學(xué)反應(yīng)分為兩類,分別是可逆反應(yīng)和不可逆反應(yīng)。在正、反兩個方向上都能進行的反應(yīng)稱為可逆反應(yīng),把從左向右的過程稱作正(向)反應(yīng),把從右向左的反應(yīng)稱作逆(向)反應(yīng)。另一類化學(xué)反應(yīng)其反應(yīng)物能完全變?yōu)樯晌?即反應(yīng)能進行到底,把這一類反應(yīng)稱為不可逆反應(yīng)。

我們查閱了大量文獻,并沒有找到有關(guān)于正反應(yīng)速率和逆反應(yīng)速率的明確定義,在華彤文主編的《普通化學(xué)原理(第4 版)》中,有這樣的描述;“化學(xué)反應(yīng)有可逆性,當正向反應(yīng)開始進行之后,隨之即有逆反應(yīng)發(fā)生,所以實驗上測定的反應(yīng)速率實際上是正向速率和逆向速率之差,即凈反應(yīng)速率[13]”。這里的凈反應(yīng)速率就是可逆反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)速率,由此可知,只有在可逆反應(yīng)中,才會出現(xiàn)正反應(yīng)速率和逆反應(yīng)速率的概念?？赡娣磻?yīng)中涉及的正反應(yīng)速率和逆反應(yīng)速率,是拋開凈反應(yīng)速率,單從其中的一個方向來討論微觀狀態(tài)下化學(xué)反應(yīng)的速率。根據(jù)化學(xué)反應(yīng)速率的定義,正反應(yīng)速率就是正向反應(yīng)中某一物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)速率,逆反應(yīng)速率就是逆向反應(yīng)中某一物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)速率。而由于正向反應(yīng)和逆向反應(yīng)的共同作用而體現(xiàn)出的宏觀反應(yīng)速率應(yīng)稱為此可逆反應(yīng)的“凈反應(yīng)速率”,很多文獻中將其簡單稱為“化學(xué)反應(yīng)速率”是不嚴謹?shù)摹?/p>

正反應(yīng)速率、逆反應(yīng)速率和化學(xué)反應(yīng)速率之間的關(guān)系應(yīng)該是并列的,化學(xué)反應(yīng)速率是指不可逆反應(yīng)中的某一物質(zhì)單向反應(yīng)速率,正反應(yīng)速率和逆反應(yīng)速率是指可逆反應(yīng)中某一物質(zhì)的某一個方向的反應(yīng)速率。正反應(yīng)速率及逆反應(yīng)速率的定義和化學(xué)反應(yīng)速率定義應(yīng)該是類似的,不同之處在于定義正反應(yīng)速率及逆反應(yīng)速率時需要強調(diào)反應(yīng)的可逆性和方向性。

參照化學(xué)反應(yīng)速率的定義,我們?nèi)缦露x正反應(yīng)速率和逆反應(yīng)速率:對于可逆反應(yīng),當體系為氣態(tài)或溶液時,正反應(yīng)速率為單位時間內(nèi)由于正反應(yīng)造成的反應(yīng)物或生成物的濃度(常用物質(zhì)的量的濃度)變化量;逆反應(yīng)速率為單位時間內(nèi)由于逆反應(yīng)造成的反應(yīng)物或生成物的濃度(常用物質(zhì)的量的濃度)變化量。

與化學(xué)反應(yīng)速率類似,用不同物質(zhì)來表示正反應(yīng)速率或逆反應(yīng)速率的大小時,其數(shù)值大小由于化學(xué)計量數(shù)的差異可能會有所不同,因此對于同一個化學(xué)反應(yīng),比較正反應(yīng)速率和逆反應(yīng)速率的大小時,應(yīng)著重強調(diào)二者均是以同一種物質(zhì)為基準。

三、關(guān)系梳理

1.可逆反應(yīng)中的化學(xué)反應(yīng)速率

在可逆反應(yīng)中,同時存在三種化學(xué)反應(yīng)速率,分別是凈反應(yīng)速率、正反應(yīng)速率和逆反應(yīng)速率,在梳理正反應(yīng)速率和逆反應(yīng)速率的概念時,已經(jīng)提及對于一個可逆反應(yīng),其“凈反應(yīng)速率=正反應(yīng)速率-逆反應(yīng)速率”,這種表述方式放在大學(xué)教材中是沒有問題的,因為在大學(xué)教材中,這三種速率的大小都能用唯一的速率方程表示,因此其數(shù)值是固定的。但中學(xué)階段并沒有涉及到速率方程,只是學(xué)習(xí)了用不同物質(zhì)表示反應(yīng)速率的方法,而用這種方法表示反應(yīng)速率,由于化學(xué)方程式中計量數(shù)的差異會造成反應(yīng)速率大小的數(shù)值不同。因此,在表述三者之間的關(guān)系時,要有一個前提,即是用同一種物質(zhì)表示的反應(yīng)速率。

筆者認為用以下方式表述三者之間的關(guān)系較為合適:在可逆反應(yīng)中,用同一種物質(zhì)表示反應(yīng)速率時,凈反應(yīng)速率=正反應(yīng)速率-逆反應(yīng)速率。這里的凈反應(yīng)速率、正反應(yīng)速率和逆反應(yīng)速率,均是用同一種物質(zhì)表示的。

2.化學(xué)平衡的判斷依據(jù)

由正反應(yīng)速率和逆反應(yīng)速率的定義可知,在可逆反應(yīng)中某一物質(zhì)既有正反應(yīng)速率,又有逆反應(yīng)速率。判斷化學(xué)平衡的依據(jù)之一是“正反應(yīng)速率與逆反應(yīng)速率相等”,這里所指的正反應(yīng)速率和逆反應(yīng)速率均是指同一物質(zhì)的反應(yīng)速率,只是一個是正反應(yīng)造成的此物質(zhì)的濃度變化量,一個是逆反應(yīng)造成的此物質(zhì)的濃度變化量,教師在教授化學(xué)平衡的概念時應(yīng)著重強調(diào)這一點,若是用不同物質(zhì)分別表示正反應(yīng)速率和逆反應(yīng)速率,由于化學(xué)計量數(shù)的差異,二者相等時是不一定能達到化學(xué)平衡狀態(tài)的。

四、教學(xué)建議

1.中學(xué)教材中應(yīng)明確表述正反應(yīng)速率和逆反應(yīng)速率的概念

正反應(yīng)速率和逆反應(yīng)速率是高中化學(xué)教學(xué)中的重要內(nèi)容,其概念的缺失必定會給教師的教學(xué)和學(xué)生的學(xué)習(xí)帶來負面影響。學(xué)生往往只是簡單記住在可逆反應(yīng)中有正反應(yīng)速率和逆反應(yīng)速率這兩個名詞,而不去思考其各代表什么含義。當教材中明確表述正反應(yīng)速率和逆反應(yīng)速率后,學(xué)生自然不會誤以為正反應(yīng)速率就是用反應(yīng)物表示的反應(yīng)速率,逆反應(yīng)速率就是用生成物表示的反應(yīng)速率了。

2.知道各反應(yīng)速率間等式成立的先決條件

教師在教授可逆反應(yīng)的有關(guān)內(nèi)容時,都會告訴學(xué)生“凈反應(yīng)速率=正反應(yīng)速率-逆反應(yīng)速率”,但受到“化學(xué)反應(yīng)速率”概念的影響,學(xué)生會知道用不同物質(zhì)表示化學(xué)反應(yīng)速率時大小是不一定相等的,那么這里的凈反應(yīng)速率、正反應(yīng)速率和逆反應(yīng)速率都是指哪種物質(zhì)的反應(yīng)速率呢? 教師在課堂教學(xué)中應(yīng)主動將這個問題拋出,引發(fā)學(xué)生的思考,與學(xué)生交流討論后得出結(jié)論:用同一種物質(zhì)表示以上三種化學(xué)反應(yīng)速率,等式才可以成立。

3.正確表述化學(xué)平衡的定義

化學(xué)平衡的學(xué)習(xí)向來是高中化學(xué)學(xué)習(xí)的一個重點和難點,如果對化學(xué)平衡的定義理解有誤,不僅會產(chǎn)生很多迷思概念,而且對先前有關(guān)化學(xué)反應(yīng)速率知識的鞏固還是對后續(xù)各類溶解平衡知識的理解都是不利的。因此應(yīng)著重強調(diào)概念中所說的正反應(yīng)速率和逆反應(yīng)速率都是用同一種物質(zhì)表示的?；瘜W(xué)平衡的定義應(yīng)表述為:對于可逆反應(yīng),在一定條件下,當用同一種物質(zhì)表示的正、逆兩個方向的反應(yīng)速率相等時,反應(yīng)體系中所有參加反應(yīng)的物質(zhì)的量或濃度可以保持恒定的狀態(tài),稱為化學(xué)平衡狀態(tài)。如是定義化學(xué)平衡,也就解決了學(xué)生會產(chǎn)生“化學(xué)平衡狀態(tài)的標志是A 的正反應(yīng)速率等于B 的逆反應(yīng)速率”等迷思概念的問題。

正反應(yīng)速率和逆反應(yīng)速率的缺失在高中教學(xué)中帶來了諸多問題,本文基于化學(xué)反應(yīng)速率的概念,在可逆反應(yīng)的基礎(chǔ)上,嘗試定義了正反應(yīng)速率和逆反應(yīng)速率,建議中學(xué)階段的化學(xué)教學(xué)中,應(yīng)明確表述正反應(yīng)速率和逆反應(yīng)速率的概念,梳理在可逆反應(yīng)中三種反應(yīng)速率構(gòu)成等式成立的先決條件,并正確表述化學(xué)平衡的定義。