分析速率平衡图像 提升学生思维素养

苏美华

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，从多种外界因素共同作用于速率和平衡、同一外界因素先作用于速率后作用于平衡、同一外界因素同时作用于速率和平衡、速率与平衡的关系等方面分类总结，挖掘题目中蕴含的思维素养，通过分析和解决问题来提升学生的思维素养。

关键词：化学学科核心素养；化学平衡；化学反应速率；图像；思维素养

文章编号：1005–6629（2017）10–0077–04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

化学学科核心素养具体指宏观辨识与微观探析、变化观念与平衡思想、证据推理与模型认知、科学探究与创新意识、科学精神和社会责任五个方面。其中证据推理与模型认知蕴含着思维素养。思维素养决定着知识技能的掌握程度，也决定着问题解决的水平深度。如何在教学中主动地提升学生的思维素养？笔者以浙江省化学选考第30题考查的部分内容为例，选取各地区选考模拟卷第30题中有关速率和平衡的图像题目进行分类研究，有针对性地培养学生的各项思维品质，在解决各类问题过程中提升学生的思维素养。

1 分析多因素作用于速率和平衡

化学反应速率是衡量化学反应进行快慢的物理量。化学反应速率的大小主要取决于反应物的性质，也受外界因素的影响。化学平衡状态是指可逆反应在一定条件下进行到一定程度时，正反应和逆反应速率相等，反应物和生成物的浓度不再发生变化的状态[1]。化学平衡状态只有在一定的条件下才能保持。当平衡体系条件改变时，正、逆反应速率发生改变，正、逆反应速率不相等时，原有的平衡状态被破坏，一段时间后会达到新的平衡状态[2]。

外界因素如浓度、温度、压强、催化剂、反应物接触面积、固体颗粒大小等改变，会引起化学反应速率的变化。但各个外界因素对可逆反应正、逆方向速率的影响程度不尽相同。一些条件改变引起正、逆速率改变程度不同，原平衡被破坏，该影响速率的因素也是影响平衡的因素。一些条件改变虽然引起正、逆速率改变，但改变的程度相同，该因素是影响速率的因素却不是影响平衡的因素。因此，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、逆方向速率同时、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。

例1 （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、SO2、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：

分析：题中将温度和催化剂两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来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了较全面的认识和理解，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也有了较深入的认识。

2 剖析单因素作用于速率或平衡

外界因素改变，速率和平衡都可能发生改变，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，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。

例2 （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），ΔH=-1811.63kJ/mol；反应在恒容密闭容器中进行，在其他条件相同时，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2-2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。

分析：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，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，使用催化剂B比催化剂A达到平衡时脫氮率更低，但最终的脱氮率在相同温度下相同，如图2-3。endprint