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促进学生理解“等效平衡”教学的实践及思考


时间:2019-09-23 作者: 阅读:


化学平衡是中学化学中极其重要的一个概念,也是高考命题的重点。其中等效平衡更是因为内容抽象分析复制,让学生感到无从下手,而等效平衡又是高中化学必须掌握的知识,正确的认识等效平衡问题,有利于学生真正理解化学平衡状态及解决化学平衡的相关问题。
如何有效解决等效平衡题呢? 一般教学中最后会给出以下三点结论:⑴恒温恒容下,对于反应前后气体体积发生变化的反应来说(即△V≠0的体系),改变起始加入物质的物质的量,等价转化后,如通过可逆反应的化学计量数换算成同一半边的物质的物质的量与原平衡相等,即对应各物质起始投料的物质的量与原平衡起始态相同,则达平衡后与原平衡等效。⑵恒温恒容下,对于反应前后气体体积没有变化的反应来说(即△V=0的体系),改变起始加入物质的物质的量,等价转化,只要按化学计量数,换算成同一半边的物质的量之比与原平衡起始态相同,则达平衡后与原平衡等效。⑶恒温恒压下,改变起始加入物质的物质的量,只要按化学计量数,换算成同一半边的物质的物质的量之比与原平衡相同,则达平衡后与原平衡等效。这里我忍不住思考,化学平衡的教学的意义不仅仅在于学会套结论解决试题,更重要的是真正认识平衡的变化过程。而这三点结论是课堂师生之间通过分析思考典例人为归纳出的结论,并非自然界中最基本的规律,学生就算当时记住了过了一段时间后很容易遗忘。等效平衡的学习更重要的是让学生学到分析这一类问题的基本思路和方法,学会自主分析等效平衡相关问题,而不是去套用结论。
等效平衡中必须阐明两个核心问题:一是什么是等效平衡;二是怎么判断两个平衡是否为等效平衡。为了让学生认识等效平衡,我利用了学生熟悉的SO2和O2反应,并且给出了反应中各物质的物质的量和时间关系的表格,化抽象为具体,让学生直观的感受到不同的初始投料建立的平衡状态可能是一模一样的。具体例题如下:
一定温度下在体积为1L的恒容密闭容器中发生反应2SO2(g)+O2(g) ⇌ 2SO3(g),不同时间测得各物质的含量如下表,试分析以下几个问题:
反应时间 0min 10min 30min 40min 50min 60min
C(SO2) mol 2 1.6 1 0.8 0.8 0.8
C(O2) mol 1 0.8 0.5 0.4 0.4 0.4
C(SO3) mol 0 0.4 1.0 1.2 1.2 1.2
1、什么时候达到化学平衡状态?
2、若最初充入SO2为1.6mol,O2 为0.8mol,SO3为:0.4mol,平衡时各物质的物质的量为多少?
3、假设最初充入2mol的SO2和1mol的O2完全转化产生多少mol的SO3?若最初充入SO2为0,O2 为0,SO3为2mol,平衡时各物质的物质的量为多少?
4、在相同温度下在2L恒容密闭容器中,若最初充入4mol的SO2和2mol的O2达到平衡时产生多少mol的SO3?平衡时,各物质的浓度和百分含量是否发生变化?
5、在相同温度下在1L恒容密闭容器中,若最初充入4mol的SO2和2mol的O2达到平衡时产生多少mol的SO3?平衡时,各物质的浓度和百分含量是否发生变化?

通过前三个问题的分析让学生认识到化学平衡状态与建立平衡的途径无关,与初始投料有关。从而建立等效平衡的概念即:对于同一个可逆反应,在一定条件下(恒温恒容或恒温恒压)下,以不同投料方式(即从正反应、逆反应或从中间状态开始)进行反应,如果达到平衡时相同组分在体系中的百分含量(体积分数、物质的量分数或质量分数)相等,这样的化学平衡就互称为等效平衡。接着追问:该例题中你是怎么判断充入SO2为1.6mol、O2 为0.8mol、SO3为0.4mol和SO2为0mol、O2 为0mol、SO3为2mol时达到的平衡状态与初始投料SO2为2mol,O2 为1mol,SO3为:0mol时达到的平衡是等效的?进而归纳出判断同一个可逆反应按照不同的投料比反应达到的平衡状态是否等效的一般方法。
可逆反应的反应物和生成物可以互相转化,采用极端思维法把生成物等效成反应物(或把反应物等效为生成物)来分析不同的投料方式进行反应是否达到相同的平衡状态。学到这里学生能够较深刻的认识到要判断首先要统一标准,即“一边倒”后如果投料一样建立的平衡也一样。如果一边倒后,如果投料不一样达到的平衡状态是不是就一定不一样了呢?带着这样的问题请学生思考问题4:在相同温度下在2L恒容密闭容器中,若最初充入4mol的SO2和2mol的O2达到平衡时产生多少mol的SO3?平衡时,各物质的浓度和百分含量是否发生变化?学生观察后发现问题4的初始情况可以看作把题目中初始情况复制一倍,从而分析得出反应达到平衡后SO3的物质的量翻倍变为1.6mol但是浓度不变任为0.8mol/L,并且各物质的含量保持不变。
当学生第四种情况想明白后,逐步加深接着来分析问题5:在相同温度下在1L恒容密闭容器中,若最初充入4mol的SO2和2mol的O2达到平衡时产生多少mol的SO3?平衡时,各物质的浓度和百分含量是否发生变化?学生观察后发现,问题5的情况相当于在问题4的基础上把体积减少一半,即增大压强,根据增大压强平衡向气体体积减小的方向移动这一规律,学生马上想到第五种情况下达到的平衡状态相当于第四种情况下达到平衡状态后,增大压强,平衡正向移动了,所以平衡时,SO3的物质的量大于1.6mol,浓度大于1.6mol/L(提醒学生体积减半,浓度会翻倍),反应物的含量减小,生成物的含量增大。
为了深化学生的理解和在过程中不断强化方法的应用,这里精心选取了如下两道随堂练习。
1、已知,一定条件下发生H2(g)+ I2(g) ⇌ 2HI(g),途径1起始H2 为2 mol、I2为 1mol 途径2起始H2为4mol、I2为2mol; 回答: ①恒温恒压条件下途径1和2是否为等效平衡?
②恒温恒容条件下途径1和2是否为等效平衡?
已知反应2SO2(g)+O2(g) ⇌ 2SO3(g) △H=-197kJ/mol 。在溶剂相同的三个密闭容器中,按不同方式投入反应物,保持恒温、恒容,平衡时有关数据如下:
容器
起始投料 2mol SO2、1mol O2 2mol SO3(g) 4mol SO3(g)
平衡时n(SO3)/mol n1 n2 n3
反应放出或吸收的热量/kJ Q1 Q2 Q3
体系压强/Pa P1 P2 P3
平衡转化率 α1 α2 α3
下列各式正确的是( )
A .2n1>n3 B.Q1 +Q2=197 C .2p1>p3 B.α1 +α3=1
在解决怎么判断不同条件下建立的平衡是否等效时,用到了平衡的复制和分割模型。等效平衡可以在原状态下进行分割,所得各部分仍为原状态下的等效平衡;也可以进行部分或成倍复制,所得各种平衡也为原状态下的等效平衡,其平衡混合物各组分的质量百分含量、体积百分含量和物质的量百分含量均不变。
本节课弱化对概念和结论,减少学生记忆和对结论的生搬硬套,强化过程学习,在过程中培养思维能力,让学生掌握分析问题和解决问题的一般思路。学习完这部分内容后,只要学生能够在“一边倒”后,采用复制压缩或不压缩的方式对等效平衡的问题进行分析判断,可以有效的简化复杂的等效平衡问题。


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