DOC《分析速率平衡图像 提升化学思维素养》

分析速率平衡图像 提升化学思维素养 苏美华 (北仑中学 浙江宁波 315800) 摘要 选取浙江省各地区选考模拟卷中易错的速率平衡图像题目,分析其内涵规律,挖掘习题对提升学生思维素养的功能价值.

关键词 本质;

独立;

迂回;

求异;

创新

1 多因素作用于速率和平衡,促使思维广阔与深刻 化学反应速率的影响因素有浓度、温度、压强、催化剂、反应物间的接触面积等.影响速率的因素不一定是影响平衡的因素.例如,催化剂同等程度影响正逆反应速率,不影响平衡.对方程式两边气体计量数相同的反应,改变压强,速率改变,但正逆速率同等程度改变,平衡不受影响.在速率平衡图像中如果涉及多个因素,这类问题较复杂,学生不仅需要具备有关速率和平衡理论的基础知识,还需要全面考察、分析问题,透过纷繁的现象,发现问题的本质,才能获得问题的正确答案. (台州市2017年2月选考科目教学质量评估试题30题节选)汽车尾气的主要成分有CO、SO

2、氮氧化物等,科研工作者目前正在尝试以二氧化钛(TiO2)催化分解汽车尾气的研究.已知 TiO2催化尾气降解原理为:2CO(g)+O2(g)2CO2(g);

2H2O(g)+4NO(g)+O2(g)4HNO3(g).图1-1为在不同颗粒间隙的沥青混凝土(α、β型)和不同温度下,实验进行相同一段时间(t秒)后测得的CO降解率变化,科研团队以β型沥青混凝土颗粒为载体,将TiO2改为催化效果更好的TiO2纳米管,在10~60℃范围内进行实验,请在图1-1中用线段与阴影仿照 示例 描绘出CO降解率随温度变化的曲线可能出现的区域(示例: ). 分析:题中将温度和催化剂俩因素共同作用于平衡,由于催化剂不影响平衡,因此使用不同催化剂在同一温度下的平衡转化率应该相同,即三线合一.题

图表明,平衡后,降解率随温度升高而下降,所以若将TiO2改为催化效果更好的TiO2纳米管,反应速率加快,实验进行相同一段时间,平衡应该出现在较低温度,该平衡点降解率较高.综合上述两点,可以作答如图1-2. 通过分析温度、催化剂因素对速率的影响来分析同一段时间平衡点出现的温度范围,再通过温度对平衡的影响,分析该温度点的降解率大小,问题便迎刃而解.经历一系列的分析过程,学生对温度既影响速率又影响平衡有全面认识和深刻理解,对催化剂不影响平衡,但因影响速率从而影响达到平衡的时间有深入的认识.

2 单因素作用于速率或平衡,强化思维独立与批判 外界因素改变,速率和平衡都可能发生改变的情况,学生往往容易将速率和平衡混为一谈,不能辩证分析速率理论和平衡理论的本质区别,不能从实际出发将速率或平衡问题独立分析判断,造成解决问题困难,甚至无从下手.例如,反应的转化率或者产率随温度发生变化的图像,到底是用速率理论还是平衡理论去分析呢,学生常常犯难.笔者引导学生思考、辨别、领悟,形成基本的思维模式:速率理论适用于反应的整个过程,而平衡理论只适用于反应达到平衡以后.学生经过独立思考、反思,不难获得反应的转化率或者产率随温度发生变化的图像的分析思路:达到平衡以前,应用速率理论,温度越高,速率越快,转化率或产率越高;

达到平衡以后,应用平衡理论,温度升高,平衡向吸热方向移动,若正反应吸热,转化率或产率增大,若正反应放热,转化率或产率下降. (2016学年第一学期温州十校联合体高三期末考试化学学科试题30题节选)研究氮氧化物反应机理,对于控制汽车尾气、保护环境有重要意义.NH3催化还原氮氧化物(SCR)技术是目前应用最广泛的烟气氮氧化物脱除技术.反应的热化学方程式为: 4NH3(g)+6NO(g)5N2(g)+6H2O(g)H=-1811.63KJ/mol;

反应在恒容密闭容器中进行,在其它条件相同时,选用不同的催化剂,反应产生N2的物质的量随时间变化如图2-1所示. ①在催化剂A的作用下,经过相同时间,测得脱氮率随反应温度的变化情况如图所示,据 图可知,在相同的时间内,300℃之前,温度升高脱氮率逐渐增大,300℃之后温度升高脱氮率逐渐减小(催化剂均末失效),其可能的原因是 . ②其他条件相同时,请在图2-2中补充在催化剂B作用下脱氮率随温度变化的曲线. 图像表明,温度较低时,脱氮率随温度升高而升高;

温度较高时,脱氮率随温度升高而下降.脱氮率随温度变化呈现相反的变化规律,显然不能全程应用平衡理论来解释.温度较低时,反应速率较慢,在相同的时间内反应尚未达到平衡,脱氮率由速率决定.温度较高时,反应速率较快,在相同的时间内反应已经达到平衡,脱氮率高低要考虑平衡移动的影响.即①参考答案:300℃前反应未平衡,脱氮率决定于速率,随温度温度越高速率越快,所以脱氮率增大,300℃之后反应达平衡,脱氮率决定于平衡的移动,该反应正反应是放热反应,升高温度平衡逆向移动,脱氮率减小.②中,催化剂改变只影响速率,不影响平衡,所以平衡时脱氮率不变,催化剂B比催化剂A的催化效率低,同一温度下,反应速率慢,经过相同时间要达到平衡,必然温度更高.所以在催化剂B作用下脱氮率随温度变化的曲线是在催化剂A的作用下,脱氮率随反应温度的变化图像向右平移,如图2-3.

3 单因素作用于速率和平衡,促进思维灵活与敏捷 思维的灵活性表现在善于根据具体情况的需要和变化,及时提出符合实际解决问题的新方案.思维的敏捷性意味着能迅速发现问题、解决问题.思维的灵活性与敏捷性是思维素养的重要方面.在速率平衡图像中,可以借助于同一因素同时作用于速率和平衡两方面的问题对学生进行思维灵活性与敏捷性的训练. (2016学年杭州市高三年级第一学期教学质量检测30题节选)合成氨的反应为:N2(g)+3H2(g)2NH3(g)H=-91.4kJ/mol,如图3表示500℃、60.0MPa条件下,恒温容器中NH3的量随时间的变化关系.若起始条件不变,将反应置于绝热的容器中进行,请在图3-1中画出NH3的物质的量随时间的变化关系. 若起始条件不变,将反应置于绝热的容器中进行,由于反应放热,容器中温度升高,NH3的物质的量随时间的变化既要考虑温度升高,反应速率加快,达到平衡时间缩短,又要考虑升温促使上述放热反应的平衡逆向移动,平衡时NH3的物质的量减少.灵活考虑温度对速率、对平衡的影响,便可快速作图如图3-2.

4 单因素反作用于平衡,发展思维逻辑与独创 教师施教时要着重引导学生思考和解决问题时不仅要善于求同,而且善于求异,更善于独立思考,勇于创新.在理科教学中,我们常常习惯于频繁地使用逻辑思维方法,而忽略了其他思维方法对学生学习和发展的作用.化学创新思维是各种化学思维的综合和核心,对学生未来的发展起着举足轻重的作用.我们应该经常使用发散思维方法(多角度思考)、逆向思维方法(反面思考)、迂回思维方法(拐弯思考)、联想思维方法、求异思维方法等训练学生的创新思维能力. (浙江省学考选考科目考试绍兴市适应性试卷 2017年3月30题节选)锅炉烟道气含CO、SO2,可通过如下反应回收硫:2CO(g)+SO2(g)S(l) +2CO2(g) .其他条件不变时,SO2的平衡转化率随反应温度的变化如图所示,请解释原因. 按照逻辑思维,温度升高对平衡转化率的影响应该是一致变化,本题中SO2的平衡转化率随反应温度的变化呈现相反的两种趋势,这种矛盾的现象会引发学生强烈的思维冲击,激发多种思维方法共鸣,最终学生应用迂回思维和求异思维可以获取独特的、具有创造性的新思路:反应的热效应与温度有关系,温度变化引起物质状态变化从而引起反应热效应逆转.整理思路文字可以得到参考答案:正反应放热,温度升高平衡逆向移动,SO2的平衡转化率降低;

温度高于445℃后硫变成气态,正反应吸热,温度升高平衡正向移动,SO2的平衡转化率增加. 参考文献: 〔1〕王祖浩主编 普通高中课程标准实验教科学・化学 化学2 [M]........