在A-level的学习中,化学平衡占据着非常重要的地位。但化学平衡问题讨论的是比较微观(micro word)的现象,理解起来比较抽象,如何在教学过程中帮助学生更透彻地理解化学反应平衡的问题,需要我们不断探索。
生动的引入
一节课的引入非常重要,它直接影响到能否成功吸引学生,日常生活中的例子司空见惯,作为引入的话题,学生从心理上排除了畏难情绪,真正觉得化学就是来源于生活,没有那么遥不可及。在上课伊始,需要先明确根据化学反应(chemical reaction)进行的程度,将化学反应分为完全反应(complete reaction)和可逆反应(reversible reaction)两类。木材的燃烧(combustion)就是完全反应的典型例子。可逆反应最终会达到平衡(balance),在这里可以引导学生思考生活中平衡的例子,把微观的概念宏观化。
比如说为什么中老年人容易发福呢?其中一个重要原因就是能量的摄入大于输出,也就是能量不均衡造成的。
再比如CO中毒后的救治,放入高压氧舱或移到通风,有新鲜空气(氧气)的地方。高浓度的氧气把一氧化碳从血红蛋白离释放出来。
重难点的突破
1)对动态(dynamic)概念的解析。如何帮助学生真正理解动态,我们可以举一个IG学过的扩散的例子。
Bromine vapour diffuses (spreads) throughout the container to fill all the space.
溴蒸气由下面的气缸慢慢扩散,最终在两个气缸里达到浓度均衡。可以让学生思考讨论以下内容:扩散达到均衡之后溴分子是不是就停止了运动呢?
化学反应达到平衡之后,反应物和产物的浓度达到了稳定不变的状态,但反应却没有停止,就像溴蒸气分子扩散均匀后,分子还在不停地运动一样。通过这样类比的方法,学生能加深对动态(dynamic)的理解。
2) 对反应条件的强调—closed system. 化学反应要达到平衡,另一个重要的条件是closed system。通过举例比较,让学生意识到closed system对equilibrium形成的重要性 。
例1,放在烧杯里加热水(open system),水沸腾了之后会变成水蒸汽,扩散到空气中,随着时间的推移,杯子里的水慢慢变少,最后完全消失。我们可以理解这是一个开放系统(open system)下的结果。
例2:如果换种如上图所示的条件:在一个完全密闭的玻璃器皿中,水分子得到能量变成蒸汽(vaporization)进入空气,随着空气中的水分子浓度增加,相近的水分子在IMF的作用下,凝聚成液态(condensation)的水。当 vaporization rate=condensation rate时,平衡系统(equilibrium system)就建立起来了。
一些细节的强调
1)Kc是通过实验得出的经验值,通过实验测定只有温度会影响Kc值变化。
2)计算带入的是at equilibrium时物质的浓度或压强。引导学生用ICE table,把需要用于计算的量清晰地表达出来。
3)计算Kc时,不溶于水的物质与水出现在化学方程式如何处理。
对于水的处理:
在应用平衡常数表达式时,稀溶液中的水分子浓度可不写。因为稀溶液的密度接近于1 g/mL。水的物质的量浓度为55.6 mol/L。在化学变化过程中,水量的改变对水的浓度变化影响极小,所以水的浓度是一个常数,此常数可归并到平衡常数中去。对于非水溶液中的反应,溶剂的浓度同样是常数。
对于固体:
当反应中有固体物质参加时,分子间的碰撞只能在固体表面进行,固体的物质的量浓度对反应速率和平衡没有影响,因此,固体的“浓度”作为常数,在平衡常数表达式中,就不写固体的浓度。
4)Kc Kp适用范围。
Kc是用浓度表达的,即适用于溶液也适用于气体。Kp仅仅适用于气体(gas only)。
引导学生做总结和类比
在整个A-level化学的学习过程中,分别在chapter 8 equilibra ,chapter 21 further aspects of equilibra 和chapter 24 transition metal这三章分别提到了Kc, Kp, Ka, Ksp, Kw, Kstab, Kpc 7个平衡常数。这些平衡常数的适用条件和对象各不相同,在平时的教学中,可以引导学生以表格的形式加以总结和区分。
K -Table
平衡常数 | 适用反应类型 | 影响因素 |
Kc | 所有的可逆反应 (All Reversible reaction) | 温度 Temperature |
Kp | 有气体参与的可逆反应 (Reversible reaction involving gases) | 温度 |
Ka | 弱酸碱的电离 (weak acid/base) | 温度 |
Ksp | 溶解度比较小的离子化合物的电离 (the solubility of “insoluble” ionic compounds ) | 温度 |
Kw | 水溶液中氢离子和氢氧根离子的解离 The dissociation of H+ and OH- in water | 温度 |
Kstab | 络合物替代反应 The substitution of ligand exchange | 温度 |
Kpc | 同种物质在两种不互溶溶剂的分配 The partition of a solute in two immiscible solvents | 温度 |
跨学科的课题融合——这是IB一直大力倡导的学科教学理念,但同样可以用于日常的学习和教学中。
根据学生的认知水平,把不同学科的相关知识关联起来,不仅仅把化学作为化学学科,经济作为经济学科。教会学生本学科知识的同时,也在教学中渗透看待问题的方式和学习的方法。比如人的过分砍伐,破坏了自然的平衡,这也是一种平衡关系。
市场上商品需求(demand)和供给(supply)之间的关系,通过价钱来反应它们之间的平衡关系。
在教学和工作中多一些思考
以A-level化学为例,一共有两个章节牵扯到equilibrium的知识,但其实用equilibrium的概念去理解,acid-base theory, oxidation and reduction, and atomic structure 甚至bonding 也属于各方博弈后达到的equilibrium。同一个知识从不同的角度去理解和思考,也许能更好的帮助学生体会化学的奇妙之处。
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