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整合教材资源,突破“压强对化学平衡移动方向的影响”的实践与思考

更新时间:2009-03-28

化学平衡移动原理是中学化学教学的重点和难点内容,目前各版本的教材大部分采用控制变量的思路,从温度、浓度、压强三个维度上分别展开来阐述,最终通过归纳得出结论:改变影响化学平衡的一个因素,平衡将向着能够削弱这种改变的方向移动,即勒夏特勒原理。温度和浓度因素对化学平衡移动方向的影响由于贴近学生的生活、学习经验,而且有现象相对明显的实验做支持,学生比较容易得出并理解结论。但是压强因素对平衡的影响却由于不具备上述便利条件而不太容易被学生理解。本文将结合各版本的教材以及期刊上的资源,针对如何突破“压强因素对化学平衡移动的影响”这一问题进行实践探索与思考。

一、改进实验,初步形成认识

1.经典实验设计

关于压强对化学平衡移动的影响,大多数实验是基于可逆反应:2NO2(红棕色,g)N2O4(无色,g)而设计的。基本做法是:在注射器中收集NO2气体,然后通过快速抽出或者推进注射器观察气体的颜色变化(如图1)。但是由于实验操作问题和颜色辨识的主观性差异,这个实验的现象并不一定能让学生心服口服,甚至还会因为实验现象不明显而产生认识上的新障碍。

  

图1 经典实验装置

鲁科版化学选修4教材对于该实验给出了详细的做法:①三支针筒中均抽入10cm3NO2气体,将针筒前端封闭。②将第二支针筒活塞迅速推至5cm3处,观察现象。③将第3支针筒活塞迅速拉至20cm3处,观察现象。图2就是压缩针筒过程中的现象(原图为鲁科版教材图2-2-5)。对于该实验,鲁科版教材提出了明确、可操作性步骤,而且渗透了对比实验的科学思想,对于课堂实施实验和学生初步形成认识起了到很好的推动作用。

  

图2 压强对NO2和N2O4转化平衡的影响

有很多老师也对这个实验做了改进,但有两个问题始终不能很好地解决:其一,NO2气体有毒,该实验不利于开展学生分组实验;其二,整体而言,改进装置比较复杂,也并没有克服颜色观察上的误差。一些文献认为颜色深浅与观察角度有关,还有一些文献对快速抽出和推进注射器过程中的其他因素进行了分析,认为这个过程不可避免地造成了气体温度的变化,所以实验的结论不能只归因于压强对平衡的影响[1]

2.改进实验设计

在参考资料的基础之上,我们认为探究压强对化学平衡影响的实验可以改进为研究可逆反应:H2O(l)+CO2(g)H2CO3(aq),基本装置如图1,具体操作为:用注射器抽取2毫升的啤酒(或可乐),然后用胶塞封闭注射器针头一端,缓缓外抽注射器,可以见到气泡由小到大,并且越来越多;再缓缓推进注射器,可以见到气泡由大到小,并且越来越少。实验优点在于:观察气泡的产生与变化比观察气体颜色变化更具有可视性,现象非常明显,可重现度高;实验准备工作简单,一瓶可乐足够全班做分组实验;另外,因为素材贴近学生的生活经验,学生稍加引导即可粗浅地形成认识,即:减压,平衡向气体变多的方向移动,加压,平衡向气体减少的方向移动。

二、辨识图表,基本形成认识

VMware虚拟机的创建和部署操作十分简单,并且创建方式多样。一般分为创建单个虚拟机、用模板创建虚拟机、克隆虚拟机。在部署虚拟机的初期阶段,我们主要选择通过单虚拟机的方式进行创建,创建的过程中可根据实际需求选择不同的操作系统和硬件配置。如果基于已创建和配置好的单台虚拟机,我们也可以将此虚拟机克隆为模板,利用模板虚拟机创建出许多与之配置相同的虚拟机,为批量创建部署提供快捷通道。VMware还提供运用开放虚拟化格式(Open Virtualization Format,OVF)和开放虚拟化设备(Open Virtualization Appliance,OVA)模板的方式进行创建和部署。

孙静等[13]用半枫荷抗炎有效部位的全提取物(A组分)、齐墩果酸提取物纯化品(B组分)和除去齐墩果酸的提取物(C组分)处理以HBV-DNA转染的人肝细胞株HepG2,结果发现A、B组分对乙肝病毒的HBeAg与HBsAg抗原均具有很好的抑制作用,而C组分对抗原无抑制作用,因此判断对病毒抗原具有抑制活性的成分为齐墩果酸。

 

表1 450℃时N2与H2反应生成NH3的实验数据

  

压强/MPa NH3/%1 5 2.0 9.2 10 16.4 30 35.5 60 53.6 100 69.4

苏教版教材也以合成氨反应为例,给出图3(原图为苏教版化学选修4教材的图2-21)。通过请学生分析平衡状态下氨气物质的量分数与温度、压强的关系,分别思考温度、压强对化学平衡移动方向的影响。与人教版教材的处理方式相同之处在于采用了通过引导学生分析图表得出结论的思路,所不同的是:①采用柱状图,更加形象直观。②将温度、压强因素体现在一张图中,一图两用。③对读图能力的要求更高。学生在读图的过程中要认识到其一,化学平衡的移动受多种因素(温度、压强等)的影响,这也更符合反应的实际情况。其二,在研究单一因素的影响的时候,要控制其他因素不变,即控制变量的思想,这在许多图像问题中都会体现。其三,分析某一特定因素(压强或者温度)变化时氨气质量分数的变化,归纳出其对化学平衡移动方向的影响。这也契合江苏高考对学生的要求,即:将“形成信息素养”作为高考的要求明确列出,希望学生通过对模型、数据、图像等的观察,获取感性知识,并运用分析、比较、概括、归纳等方法对所获得的信息进行初步加工。

Q<K,V(正)>V(逆),反应向正反应方向进行;

  

图3 不同温度、压强下,合成氨平衡体系中NH3的物质的量分数(H2和N2起始物质的量之比为3:1)

学生通过研究数据发现:在其他条件不变的情况下,增加压强,会使平衡向着气体体积缩小的方向移动;减小压强,会使化学平衡向着气体体积增大的方向移动。在引导学生得出结论的过程中,是由感性认识走向理性认识的过程,也是培养学生分析数据,提取信息的能力的过程。

在学生对压强对化学平衡移动方向的影响有初步认识的基础之上,可以设计图表分析环节来强化这个认识。

三、理论计算,强化认识

苏教版、鲁科版教材中,化学平衡的移动呈现在化学平衡常数之后,鲁科版的教材明确提出可以利用平衡常数K与瞬时浓度商Q的比较判断压强改变之后,化学平衡的移动方向。即:对于某温度下,可逆反应aA(g)+bB(g)cC(g)+dD(g),平衡常数为K,代表的是某时刻的瞬时浓度,若:

人教版教材以反应为研究对象,列出了如下表格(为原人教版化学必修加选修2教材的表2-1):

《国网通用设计》因篇幅受限,装配式建筑墙体只推荐了形式,没有详图设计。陕西西安某110 kV变电站,采用《国网通用设计》中全户内变电站110-A2-3方案[3](应用本文时应以《国网通用设计》中该方案的适用条件为准)。该变电站为城市型全户内变电站,《国网通用设计》统一了配电装置楼的墙体材料:外墙采用压型钢板复合板,内墙采用轻钢龙骨石膏板隔墙。在该工程设计时,根据规程规范的防火、节能、降噪等要求,分别对变电站的内隔墙、外墙,进行墙体参数细化设计研究,内墙主要根据墙体材料耐火极限进行设计,外墙根据防火、节能、降噪等要求进行设计计算。

式中,p1为单个涡流损耗密度,a是导线的幅向侧宽度,k超导绕组的电阻率,ΔV是各个单元的体积,p2是各个单元的超导绕组涡流损耗之和。

Q=K,V(正)=V(逆),反应处于平衡状态;

Q>K,V(正)<V(逆),反应向逆反应方向进行。

我国公众的参与及监督意识仍需提高,社会组织的成熟度亟待加强。只有在政府职能归位、公民社会成长、社会组织独立的条件下才能够实现政府购买公共服务的高效与精准。

以合成氨反应为例,在旧平衡状态当快速加压压缩至混合体系的体积只有原来一半的反应方向移动,即:加压,平衡向气体物质的量减少的方向移动,同理可判断出减压时平衡的移动方向。当然在此处可以让学生再判断两个典型反应如:2NO2(g),归纳出压强因素对三种不同的反应(反应前后气体物质的量增大、减小、不变)的影响,进而形成比较完善的认识。

四、引用传感器实验,深化认识

以上3个分析过程之后,学生基本明确了压强对化学平衡移动方向的影响,如果要更深入地理解平衡移动原理,传感器实验的引入是一个很好的选择。

  

图4 压强对NO2与N2O4平衡的影响

传感器技术应用于化学实验教学,其最大优势就是能方便而迅速地通过图像动态显示实验变化的整个过程,其对于宏观现象不明显的反应过程的显性化表示更是普通实验不具备的。图4是南京外国语学校张玉娟老师以2NO2(g)■■■■N2O4(g)的反应为研究对象,先减压(快速抽拉注射器),再加压(快速推进注射器)而得出的实验图像。与常规实验比较而言,传感器实验获得的这张图像的最大优势在于:①在两个平衡之间,可以明显地看到动荡期,即平衡移动期(BC之间的微小上升段、D之后的微小下降段),学生可以比较清晰地“看到”平衡移动的方向。即:减压,平衡向压强增大的方向移动,加压,平衡向压强减小的方向移动。②明显地看出变化后建立的新平衡状态(BC之间的平台段、D之后的平台段)的压强比原平衡要小(或大),即外界因素起主要作用,平衡的移动只是“削弱”了这种改变。可见通过传感器实验,我们不但可以清楚地看清平衡移动的方向(正向或者逆向),还可以看清楚平衡移动的结果(削弱,而不是改变外界因素的影响),学生对于压强影响化学平衡问题的理解又加深了一步。如果学校有传感器实验器材,可以现场演示,配合宏观现象,进行图像分析当然好,若没有实验条件,也可以借助期刊杂志上的图像(本文引用张老师的实验结果)引导学生读图分析。相信在前述3个环节之后,学生通过分析图像也能加深对化学平衡移动原理的理解。

参考文献

[1] 杨志明.再议用N2O4-NO2体系做压强对化学平衡影响的演示实验[J].化学教育,1985(5):45-47

[2] 张玉娟.传感技术应用于压强对化学平衡的影响研究[J].中学化学教学参考,2011(7):50

[3] 孙京.数形实结合帮助学生理解压强对化学平衡影响的规律[J].教育与装备研究,2016(10):55-57

[4] 杨冰洁,何彩霞,贾同改.宏微结合探究变化平衡——以高中化学选修4化学平衡移动教学为例[J].教育与装备研究,2016(12):19-25

[5] 王祖浩.普通高中课程标准实验教科书.化学(选修4)[M].南京:江苏教育出版社,2007:49-53

[6] 课程标准试验教材编委会.普通高中课程标准实验教科书.化学(选修4)[M].济南:山东科技出版社,2004:41-53

[7] 人民教育出版社化学室.全日制高级中学教科书选修化学(第二册)[M].北京:人民教育出版社,2002:43-45

 
屈春芸
《化学教与学》 2018年第05期
《化学教与学》2018年第05期文献

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