楊晉芳 楊蓓

摘 要：化學(xué)平衡狀態(tài)的判斷是是化學(xué)平衡知識體系的重要組成部分之一，也是高考命題點(diǎn)之一。筆者在一線教學(xué)實(shí)踐中，發(fā)現(xiàn)很多學(xué)生對于理解“氣體密度”和“混合氣體平均相對分子質(zhì)量”在什么情況下可以作為判斷化學(xué)平衡的依據(jù)有一定障礙。因此，筆者針對這兩個方面總結(jié)歸納了解題思路及方法，并建立了分析此類平衡問題的解題模型，旨在發(fā)展學(xué)生的化學(xué)思維能力，提高化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：化學(xué)平衡狀態(tài) 氣體密度 平均相對分子質(zhì)量 解題模型

一、問題的提出

化學(xué)平衡內(nèi)容歷來是高中化學(xué)的核心內(nèi)容之一，具有抽象性、符號性和復(fù)雜性的特點(diǎn)，是公認(rèn)的化學(xué)學(xué)習(xí)難點(diǎn)之一?；瘜W(xué)平衡相關(guān)內(nèi)容也是中學(xué)化學(xué)中所涉及的溶解平衡、電離平衡和水解平衡等知識的核心，對學(xué)生深入學(xué)習(xí)、應(yīng)用平衡思想發(fā)揮了關(guān)鍵性作用?；瘜W(xué)平衡狀態(tài)的判斷是是化學(xué)平衡知識體系的重要組成部分之一，同時是高考命題點(diǎn)之一。學(xué)生對此內(nèi)容的學(xué)習(xí)往往存在心理障礙，已有研究確認(rèn)了高中生在化學(xué)平衡內(nèi)容學(xué)習(xí)上存在顯著困難[1]。筆者在一線教學(xué)實(shí)踐中，發(fā)現(xiàn)在化學(xué)平衡這部分內(nèi)容的學(xué)習(xí)時，常常會出“化學(xué)平衡狀態(tài)的判斷”這類題目，解此題型時，大部分學(xué)生對于“氣體密度”和“混合氣體平均相對分子質(zhì)量”這兩個衍生出的判斷方法感到無從下手，導(dǎo)致失分率較高。因此，筆者針對這兩個方面總結(jié)歸納了解題思路及方法，并建立了分析此類平衡問題的解題模型，旨在發(fā)展學(xué)生的化學(xué)思維能力，提高化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

二、學(xué)生學(xué)習(xí)障礙分析

1.基于內(nèi)容特點(diǎn)分析學(xué)習(xí)障礙

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）》[2]針對化學(xué)平衡狀態(tài)的有關(guān)內(nèi)容提出了具體內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)和學(xué)業(yè)要求，在必修課程中主要分布在主題2“物質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)及化學(xué)反應(yīng)規(guī)律”中;在選擇性必修課程中主要分布在模塊3“化學(xué)反應(yīng)原理”中，具體內(nèi)容如表1所示。從表1可以看出，化學(xué)平衡狀態(tài)內(nèi)容與之前所學(xué)知識相比橫向、縱向聯(lián)系和綜合程度顯著提高，深度、廣度的發(fā)展呈螺旋上升狀態(tài)?；瘜W(xué)平衡是近年高考的熱點(diǎn)，化學(xué)平衡狀態(tài)的判斷是高考化學(xué)的命題點(diǎn)之一，而化學(xué)平衡移動對氣體密度和混合氣體相對分子質(zhì)量影響的分析更是一大難點(diǎn)，對學(xué)生圖表數(shù)據(jù)解讀能力、邏輯推理能力、綜合解決問題的能力要求較高。因此，筆者針對化學(xué)平衡狀態(tài)的判斷內(nèi)容中“氣體密度”和“混合氣體平均相對分子質(zhì)量”這兩個衍生出的判斷方法，提出解題思路及方法，并建立分析此類平衡問題的解題模型，以加深學(xué)生對化學(xué)平衡知識的理解，提高學(xué)生解決化學(xué)實(shí)際問題的能力。

2.基于學(xué)生認(rèn)識發(fā)展分析學(xué)習(xí)障礙

學(xué)生在化學(xué)平衡問題解決中形成的學(xué)習(xí)障礙不同，形成原因也不同。劉瑞東[3]通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)學(xué)生在學(xué)習(xí)化學(xué)平衡之后，仍然對化學(xué)平衡中的中心概念問題，如動態(tài)平衡的判斷;濃度、溫度、壓強(qiáng)（體積）等對化學(xué)平衡的影響;濃度、溫度、壓強(qiáng)（體積）等對化學(xué)平衡反應(yīng)速率的影響等存在大量的迷思概念。支瑤，王磊[4]等人通過長期的課堂觀察、課后跟蹤觀察和訪談發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在平衡移動規(guī)律學(xué)習(xí)中認(rèn)識發(fā)展障礙點(diǎn)在于缺少對相關(guān)問題進(jìn)行理性分析的“支架”。筆者在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，在學(xué)習(xí)化學(xué)平衡狀態(tài)的判斷之后，大部分學(xué)生仍然不清楚氣“氣體密度”和“混合氣體平均相對分子質(zhì)量”在什么情況下可以成為判斷化學(xué)平衡的標(biāo)志。筆者根據(jù)常年教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了具體解題思路及方法，并建立了分析此類平衡問題的解題模型，旨在發(fā)展學(xué)生的化學(xué)思維能力，提高化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

三、建立化學(xué)平衡狀態(tài)判斷的解題模型

一般在化學(xué)平衡中常見的反應(yīng)只有兩種類型：一種全為氣體型，一種不全為氣體型。每種類型根據(jù)化學(xué)計量數(shù)關(guān)系又可劃分為兩類，即反應(yīng)前后氣體系數(shù)和為零，簡稱△V=0型;反應(yīng)前后氣體系數(shù)和不為零，簡稱△V≠0型。本文以下面四個反應(yīng)為例尋找解題思路：

例：

N2（g）+3H2（g） 2NH3（g）

2HI（g） ?H2（g）+I2（g）

C（s）+H2O（g） CO（g）+H2（g）

A（s）+3B（g）2C（g）+D（g）

分別分析恒溫恒壓和恒溫恒容狀態(tài)時其“氣體密度”和“混合氣體平均相對分子質(zhì)量”保持不變能否作為判斷化學(xué)平衡狀態(tài)的標(biāo)志。根據(jù)密度等于總質(zhì)量除以總體積（ρ=m/V），平均相對分子質(zhì)量等于總質(zhì)量除以總物質(zhì)的量（M=m/n），因此只需判斷m總、n總和V總是否變化即可。

1. 全為氣體型

（1）恒溫恒容狀態(tài)

恒溫恒容狀態(tài)時，對于全為氣體的反應(yīng)，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，氣體的總質(zhì)量始終不變，又因?yàn)闂l件維持恒容，總體積也始終不變，所以，無論△V=0型還是△V≠0型，密度均不可作為判斷標(biāo)志。而氣體總物質(zhì)的量與反應(yīng)前后氣體系數(shù)有關(guān)，△V=0時，總物質(zhì)的量不變，平均相對分子質(zhì)量不能作為判斷依據(jù);△V≠0時，總物質(zhì)的量發(fā)生變化，平均相對分子質(zhì)量能作為判斷依據(jù)。所以，從全為氣體型總結(jié)出，只有△V≠0時，平均相對分子質(zhì)量可以判斷平衡。其余三種情況均不可以。

（2）恒溫恒壓狀態(tài)

恒溫恒壓狀態(tài)時，由于全為氣體，氣體的總質(zhì)量始終不變。對于△V=0的反應(yīng)，氣體總物質(zhì)的量也始終不變，根據(jù)PV=nRT，可知?dú)怏w總體積也始終不變。因此，對于全為氣體型，當(dāng)△V=0時，平均相對分子質(zhì)量和密度均不可作為判斷依據(jù)。而△V≠0時，隨反應(yīng)進(jìn)行，氣體總物質(zhì)的量會發(fā)生變化，恒壓下，氣體的體積也會發(fā)生變化，所以當(dāng)△V≠0時，密度和平均相對分子質(zhì)量均可以作為判斷化學(xué)平衡的標(biāo)志。

綜上兩點(diǎn)歸納整理，對△V=0的全為氣體型，密度和平均相對分子質(zhì)量不論什么條件均不能作為判斷平衡狀態(tài)的依據(jù);而對于△V≠0的全為氣體型，只有恒溫恒容時，密度不可以判斷，其余三種情況均可作為平衡判斷依據(jù)，建立化學(xué)平衡狀態(tài)判斷的解題模型，如表2所示。

2.不全為氣體型

對于此類反應(yīng)，反應(yīng)一旦開始，總質(zhì)量就會發(fā)生變化，所以判斷化學(xué)平衡狀態(tài)主要抓住總體積和總物質(zhì)的量。對于△V=0的反應(yīng)，無論恒溫恒容還是恒溫恒壓，總體積和總物質(zhì)的量始終不變，所以密度和平均相對分子質(zhì)量均可以作為平衡判斷依據(jù)。對于△V≠0的反應(yīng)，恒溫恒容時，由于容器體積不變，所以密度也可以作為平衡判斷依據(jù)?？偽镔|(zhì)的量隨反應(yīng)前后氣體系數(shù)和發(fā)生改變，在平均相對分子質(zhì)量中，總質(zhì)量和總物質(zhì)的量都發(fā)生變化，最終要看比值變不變，比值變則可以作為依據(jù)，比值不變則不能作為判斷依據(jù)，這是學(xué)生最難理解的一點(diǎn)。恒溫恒壓時，由于此類反應(yīng)總質(zhì)量、總物質(zhì)的量、總體積均發(fā)生變化，密度和平均相對分子質(zhì)量的判斷也要具體情況具體分析。解題模型如表2所示。

綜上所述，筆者嘗試歸納總結(jié)出化學(xué)口訣“兩變看比例，一變一定平，不變不適用”，簡化了學(xué)生的學(xué)習(xí)難度，更有利于學(xué)生理解和掌握?？删唧w解釋為：比例中如果只有一個變量，則一定可以判斷平衡;若兩個均不為變量，則一定不能判斷平衡;若兩個變量均發(fā)生變化，比值變則可以作為判斷平衡依據(jù)。具體總結(jié)如表3所示。

四、“化學(xué)平衡狀態(tài)的判斷”解題模型的應(yīng)用

基于化學(xué)平衡狀態(tài)判斷的解題模型，分別以全為氣體、△V=0型;全為氣體、△V≠0型及不全為氣體型試題為例介紹其應(yīng)用過程，多角度、全方位突破化學(xué)平衡狀態(tài)標(biāo)志的判定。

1. ?全為氣體、△V=0型

[例 1] 汽車尾氣中，產(chǎn)生NO的反應(yīng)為：N2（g）+O2（g）2NO（g），一定條件下，等物質(zhì)的量的N2（g）和O2（g）在恒容密閉容器中反應(yīng)，下圖曲線a表示該反應(yīng)在溫度T下N2的濃度隨時間的變化，曲線b表示該反應(yīng)在某一起始條件改變時N2的濃度隨時間的變化。下列敘述正確的是（ ?）

A.溫度T下，該反應(yīng)的平衡常數(shù)K=

B.溫度T下，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，混合氣體的密度減小

C.曲線b對應(yīng)的條件改變可能是加入了催化劑

D.若曲線b對應(yīng)的條件改變是溫度，可判斷該反應(yīng)的△H<0

[解析]根據(jù)題意，反應(yīng)在恒溫恒容的密閉容器中發(fā)生反應(yīng)狀態(tài)，所以氣體總體積保持不變，且質(zhì)量守恒，所以混合氣體的密度保持不變。因此B選項(xiàng)錯誤。

若將此題的條件“恒溫恒容”改為“恒溫恒壓”，由于反應(yīng)前后氣體的總物質(zhì)的量保持不變，由PV=nRT，可知混合氣體的總體積也是保持不變，且質(zhì)量守恒，所以混合氣體的密度始終保持不變。所以對于全為氣體、△V=0型的可逆反應(yīng)，任何條件下密度和平均相對分子質(zhì)量都不可以判斷平衡。

2. 全為氣體、△V≠0型

[例 2] 一定溫度下，向一容積為5 L的恒容密閉容器中充入0.4 mol SO2和0.2 mol O2，發(fā)生反應(yīng)：2SO2（g）+O2（g） 2SO3（g） ΔH=-196 kJ·mol-1。當(dāng)反應(yīng)達(dá)到平衡時，容器內(nèi)壓強(qiáng)變?yōu)槠鹗紩r的。判斷該反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)的標(biāo)志________（填字母序號）。

A.SO2、O2、SO3三者的濃度之比為2∶1∶2

B.容器內(nèi)氣體的壓強(qiáng)保持不變

C.容器內(nèi)混合氣體的密度保持不變

D.SO3的物質(zhì)的量不再變化

[解析]由題可知，反應(yīng)在為恒溫恒容狀態(tài)下進(jìn)行，△V≠0。根據(jù)化學(xué)平衡狀態(tài)判斷的解題模型，B選項(xiàng)中混合氣體的總質(zhì)量不變，容器的容積不變，則混合氣體的密度始終不變，不是變量，不能根據(jù)混合氣體的密度不再改變證明到達(dá)平衡，故B選項(xiàng)錯誤;C項(xiàng)中隨反應(yīng)進(jìn)行，容器內(nèi)混合氣體的總的物質(zhì)的量減小，而氣體的總質(zhì)量不變，則混合氣體的平均相對分子質(zhì)量增大，是變量，可以根據(jù)平均相對分子質(zhì)量不再改變說明到達(dá)平衡，故C選項(xiàng)正確。

若將此題的“恒溫恒容”改為“恒溫恒壓”，隨反應(yīng)進(jìn)行，混合氣體的總物質(zhì)的量發(fā)生變化，導(dǎo)致氣體總體積發(fā)生變化，而總質(zhì)量不變，所以相對分子質(zhì)量和密度不再改變可以判斷達(dá)到平衡狀態(tài)。

3. 不全為氣體型

[例 3] 將C （s） 和H2O（g）以物質(zhì)的量之比1：2置于恒容容器中，一定條件下發(fā)生反應(yīng)：C（s） +H2O（g） H2（g） + CO（g）△H>0。下列能說明反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)的是（ ? ）

A、v（H2O）= v（CO）

B、H2 、CO的體積比保持不變

C、形成2mol H-O鍵，同時生成1mol C

D、混合氣體密度和平均相對分子質(zhì)量都保持不變

[解析]由題可知，該反應(yīng)中不全是氣體，隨著反應(yīng)進(jìn)行，混合氣體的總質(zhì)量增大，反應(yīng)前后混合氣體的總物質(zhì)的量、容器體積保持不變，則混合氣體的密度和平均相對分子質(zhì)量都是增大的，是變量?？筛鶕?jù)混合氣體的密度和平均相對分子質(zhì)量保持不變證明達(dá)到平衡狀態(tài)。

[例 4] 在一定溫度下的恒容密閉容器中，不能說明NH2COONH4（s）2NH3（g）+CO2（g）達(dá)到平衡狀態(tài)的是 （ ? ）

A. 混合氣體的平均相對分子質(zhì)量不再發(fā)生變化

B. 混合氣體的密度不再發(fā)生變化

C. 混合氣體的總物質(zhì)的量不再發(fā)生變化

D. 混合氣體的壓強(qiáng)不再發(fā)生變化

[解析]A項(xiàng)由題意知，混合氣體中氨氣和二氧化碳的體積比始終是2：1，質(zhì)量也是成比例增加的，因此混合氣體的平均相對分子質(zhì)量始終不變，所以不能據(jù)此說明反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài);B. 密度是混合氣的質(zhì)量和容器容積的比值，在反應(yīng)過程中容積始終是不變的，但混合氣體的質(zhì)量是變化的，所以混合氣體的密度不再發(fā)生變化說明反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，B錯誤。

該題較特殊，若將此題的“恒溫恒容”改為“恒溫恒壓”，混合氣體的體積和質(zhì)量都成比例增加，混合氣體的密度始終不變，不是變量，不能據(jù)此說明反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)。

五、建立“ 化學(xué)平衡狀態(tài)的判斷”解題模型的意義

通過上述例題分析發(fā)現(xiàn)，化學(xué)平衡狀態(tài)判斷的解題方法有一定的內(nèi)在規(guī)律，其解題模型如表2所示。首先根據(jù)化學(xué)反應(yīng)方程判斷反應(yīng)是全為氣體型或不全為氣體型，并根據(jù)題意分析反應(yīng)是在恒溫恒容還是在恒溫恒壓狀態(tài)下進(jìn)行;其次根據(jù)化學(xué)反應(yīng)方程式判斷反應(yīng)前后氣體分子數(shù)是否等于0，即△V=0或△V≠0;最后，根據(jù)“ 化學(xué)平衡狀態(tài)的判斷”的解題思路及模型，具體題型具體分析，對實(shí)際問題進(jìn)行解答。該解題模型基于化學(xué)科學(xué)觀念──質(zhì)量守恒定律和化學(xué)方程式判斷，對復(fù)雜的化學(xué)平衡問題抽象概括出一般解題模型，有廣泛的適應(yīng)性和嚴(yán)密的邏輯性，有利于學(xué)生快速抓住問題的核心形成有效的思路，有利于學(xué)生建構(gòu)清晰的思維結(jié)構(gòu)從而高效地解答[5]。本文旨在幫助學(xué)生建立一個基于化學(xué)平衡狀態(tài)分析及改變的解題方法及模型，特別是“氣體密度”和混合氣體平均相對分子質(zhì)量”在什么情況下可以作為判斷平衡的依據(jù)進(jìn)行分析，使學(xué)生體驗(yàn)一種證據(jù)推理的思考過程，逐漸形成模型認(rèn)知，培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)

[1]任麗曼.高中生化學(xué)平衡學(xué)習(xí)困難的因素分析[J].上海：上海師范大學(xué)，2010.

[2]中華人民共和國教育部.普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）[M].北京：人民教育出版社，2017.

[3]劉瑞東.高中生化學(xué)平衡迷思概念的調(diào)查研究[J]化學(xué)教育，2006（8）：44-47.

[4]支瑤，王磊，張緒姝.化學(xué)平衡常數(shù)對促進(jìn)學(xué)生認(rèn)識發(fā)展的功能價值分析及其教學(xué)實(shí)現(xiàn)[J].化學(xué)教育，2010，31（6）：29-34.

[5]韓江濤.用待定法解析熱重曲線案例介紹[J].化學(xué)教學(xué)，2017（6）：86-90.