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【關鍵詞】溫度;濃度;反應速率
一、問題的提出
人教版《化學》選修4《化學反應原理》中,影響化學反應速率的因素是一個非常重要的實驗。教材中設計到的溫度和濃度對化學反應速率的影響有兩個實驗,濃度對化學反應速率的影響是用0.01mol/L酸性KMnO4溶液分別與0.1mol/L的H2C2O4溶液和0.2mol/L的H2C2O4溶液反應來進行驗證,結果表明加入較濃的H2C2O4溶液褪色更快。溫度對化學反應速率的影響是用0.1mol/LNa2S2O3溶液和0.1mol/L的H2SO4溶液進行反應,一組放入熱水中,另一組放入冷水中,記錄出現渾濁的時間,結果顯示,放入熱水的這一組出現渾濁的時間要比放入冷水的時間短,實驗表明,其他條件相同時,升高溫度反應速率增大。但是在實際實驗教學過程中按照教材上的方法進行實驗顯得有些繁瑣,為了更加簡便、直觀的觀察實驗現象,對此實驗進行了改進,只用0.1mol/LNa2S2O3溶液和0.1mol/L的H2SO4溶液進行反應,同時驗證了濃度和溫度對化學反應速率的影響,并得到了理想的實驗效果。
二、研究目的和意義
(一)研究目的
為探究濃度、溫度對化學反應速率的影響,對教材實驗改進,用一個實驗來證明溫度、濃度對化學反應速率的影響,掌握實驗的操作方法,并得到理想的實驗結果。
(二)研究意義
“為探究濃度、溫度對化學反應速率影響”的學生實驗方面提供一些可借鑒的資料。
三、研究方法(實驗法)
(一)試劑與儀器
0.1mol/LNa2S2O3溶液、0.1mol/LH2SO4溶液、蒸餾水、試管、燒杯、溫度計、秒表、電子天平、容量瓶、玻璃棒、膠頭滴管、洗瓶。
(二)實驗方法
1.準確配置好0.1mol/L的Na2S2O3溶液和0.1mol/L的H2SO4溶液,在三個燒杯中裝入不同溫度的水,然后取三支大試管分別加入相同體積的反應物,將這三支試管放入不同溫度水的燒杯中,觀察實驗現象,記錄出現渾濁的時間。
2.室溫下,取兩支大試管,分別加入不同體積的反應物,觀察實驗現象,記錄出現渾濁的時間。
Na2S2O3+H2SO4■Na2SO4+S+SO2+H2O
(三)實驗結果與討論
從第一組實驗數據可以看出,用0.1mol/L的Na2S2O3溶液和0.1mol/L的H2SO4溶液各3ml進行反應,當溫度越高時,出現渾濁的時間越短,從而得到結論:溫度越高化學反應速率越快。從第二組實驗數據可以看出,當用0.1mol/L的Na2S2O3溶液和0.1mol/L的H2SO4溶液各3ml進行反應,出現渾濁的時間為1分33秒,而當把0.1mol/L的Na2S2O3溶液改為6ml時,出現渾濁的時間要比原來的更短,從而得到結論:反應物的濃度越大化學反應速率越快。
(四)結論
通過實驗證明得到結論:其他條件相同時,升高溫度反應速率增大,降低溫度反應速率減小。增大反應物濃度反應速率增大,減小反應物濃度反應速率減小。
四、應用
1.教材地位和內容分析
化學反應速率是化學反應條件確定的重要依據之一,作為動力學原理的重要組成部分,化學反應速率的學習和研究具有重要的理論價值和應用價值.在高中化學知識框架中,化學反應速率在必修Ⅱ和選修Ⅳ兩個模塊呈現,雖然具體的學習要求不同,但足見其在高中化學知識體系中的重要地位.從知識[JP3]內在構成來看,化學反應速率主要包括概念、計算及影響因素等.[JP]
2.當前教學研究存在的問題
在教學過程中,廣大一線教師均有這樣的體驗:學生在單純地學習化學反應速率概念、計算和影響因素時,普遍感覺比較輕松,但在運用反應速率知識輔助學習化學平衡原理時,原有的對化學反應速率的認識立即變得模糊,容易出現瞬間短路的現象.這樣的現象其實反映了一個問題:化學反應速率的知識體系真像原本以為的那樣容易被學生掌握嗎?那么如何才能幫助學生克服這樣的學習障礙呢?筆者以搭建學習支架的方式進行了有益的嘗試.
二、理論依據
1.學習支架存在的理論基礎
建構主義認為學習是新舊知識反復進行雙向交互作用的進程,即對新知識意義的不斷建構和對舊有知識意義的不斷加以改造、重新組合的過程,也就是從同化到順應,又由順應到同化不斷循環交替的過程.教學過程中,教師通過搭建學習支架能更好地幫助學生聯系舊有的知識經驗,展開組內組間合作交流,從而更有利于重新構建新知識.
2.學習支架的概念內涵
所謂支架指的是具有支撐作用的構架,學習支架即是在學生學習過程中對其學習具有支撐作用的輔助工具.確切地說,學習支架是一種旨在幫助學習者構建知識的概念框架,目的是將繁重復雜的學習任務簡化分解,從而以便學習者更深入地理解問題.正因為這樣,學習支架在各級各類學習中,都應該有著廣泛的適用性,尤其是把支架搭建在學習者的最近發展區上,此時效果最佳.教師在搭建學習支架前,應努力創設情境,以期在激發學生學習興趣的同時喚醒學生腦海中所有相關就知識的記憶,從而更準確地定位學生的最近發展區.同時應該讓學生全程參與搭建學習支架、解決所有問題的全過程,既讓他們體驗獲得知識的整個思維過程,又使他們自主搭建學習支架的能力得到發展和提升.
三、案例分析
下面我們就以選修Ⅳ化學反應速率為例,來具體談一下如何搭建學習支架.
1.準備工作――學生最近發展區分析
學生通過必修II化學反應速率的學習己經初步定性接受了反應速率概念,知道反應速率是表征化學反應快慢的物理量,了解化學反應速率受溫度、濃度、壓強、催化劑等外部條件的影響,但對于這些外部條件影響反應速率的變化歷程、影響效果等知之甚少.學生經過必修階段元素化合物知識、氧化還原理論的學習儲備初步具有了一些定量分析化學反應的經驗,但還缺少定量分析化學反應速率的相關經驗.學生通過部分演示實驗、分組實驗掌握了一些控制變量進行對比實驗、探究實驗的方法和技巧,使掌握定量測定化學反應速率、定量分析外部條件對反應速率的影響效果成為可能.
2.搭建認知支架,整合知識基礎
個體學習活動常常受到個體所處的周圍環境、文化背景的深刻影響,所以從學習者已有的生活經驗出發,創設生活情境,有利于激發學習者的學習熱情和學習興趣,使他們更為積極主動地開展對比與想象,將所要學習的新知識與頭腦中原有的舊知識同化順應,從而整合形成一個更為完善、更加穩固的知識基礎.為此,在化學反應速率教學中,設置認知支架:以源自生活的一組圖片“食物的變質”“化石能源的形成”“炸藥爆炸”幫助學生回憶化學反應快慢的定性直觀描述,“校運會百米沖刺”“百米飛人大戰”回憶描述快慢的定量方法及定量工具.這樣學生很容易由運動會百米計時聯想到化學反應速率的定量描述方法為消耗一定量反應物或生成一定量產物所需時間,或是單位時間內反應物的消耗量或產物的生成量.
3.搭建實驗支架,培養學科思維
化學是一門以實驗為基礎的學科,觀察實驗可以幫助學生獲得感性認識的第一手材料,操作實驗可以發展學生實踐動手能力,分析實驗可以提升學生學科思維能力,設計實驗更可以提高學生學科素養.在教學過程中,通過化學實驗教師和學生將組合成學習統一體,從而產生更多的交互式合作與交流.在設計實驗方案定量探究影響化學反應速率的過程中,搭建如下三個實驗支架:(1)引導學生對照酸性高錳酸鉀與草酸反應原理,明確影響該反應速率的因素,將所有變量分類成自變量、因變量和控制變量,以便幫助學生準確把握控制變量法.(2)引導學生將自變量按濃度、壓強、溫度、催化劑等因素分類,將抽象的控制變量概念具體化為基于控制變量法設計的一組系列實驗,并通過小組合作、交流討論確定各個實驗方案的可行性.(3)引導學生分組操作實驗、觀察現象,記錄相關數據于自己設計的實驗報告紙上,并分析處理所得數據,得出實驗結論.通過實驗支架的搭建,將學生由看熱鬧的外行變成理性嚴謹的內行,使學生更深刻地體會到化學學科的研究過程和方法,提升科學素養.
4.搭建概念圖支架,發展知識網絡
概念圖是基于奧蘇貝爾認知同化學習理論的網絡結構示意圖,它以節點表示概念,節點間連線表征概念間內在邏輯關系,將學習過程形象直觀為舊有知識網絡體系不斷同化新知識從而不斷擴展的過程.為了使學生順利接受并理解新知識,教師應首先整固學生的上位概念體系,建立穩定的概念固定點,為新概念的納入做好充分準備,其次應注意選擇合乎學生認知發展規律和知識內在邏輯結構的學習流程,方便學生前后聯系,此外還應注意適時對新舊概念展開對比區分,以防錯位混淆.因此,在教學中搭建如下支架:(1)必修化學反應速率概念與影響因素概念圖;(2)反應速率概念的量化表征、瞬時速率與平均速率概念、同一化學反應中不同物質表征的反應速率及其定量關系;(3)影響化學反應速率的因素的微觀解釋、圖像及一些簡單數量關系;(4)化學反應速率完整概念圖的整合.通過概念圖支架的搭建,引導學生學會從簡單到復雜、從局部到整體建構概念圖,體驗概念圖內在的邏輯關系,使所學新知識內化而成的新知識網絡體系更加清晰、穩固.
一、典型試題解析
例1.某化學科研小組研究在其他條件不變時,改變某一條件對化學平衡的影響,得到如下變化規律(圖中P表示壓強,T表示溫度,n表示物質的量):
根據以上規律判斷,下列結論正確的是
A.反應Ⅰ:H>0,P2>P1 B.反應Ⅱ:HT2
C.反應Ⅲ:H>0,T2>T1;或H
解析:該題通過四個圖象考察學生對改變溫度、壓強對化學平衡移動的影響,學生必須具備良好的觀察能力和思維判斷能力。反應Ⅰ中溫度升高,A的平衡轉化率降低,說明正反應是放熱反應,HP1。反應ⅡT1先達到平衡,說明T1>T2,溫度升高,C的物質的量減小,說明正反應是放熱反應,HT1,溫度升高,C的平衡體積分數增大,說明正反應是吸熱反應,H>0;如果T1>T2,溫度升高,C的平衡體積分數降低,說明正反應是放熱反應,HT1,溫度升高,A的平衡轉化率增大,說明正反應是吸熱反應,H>0;如果T1>T2,溫度升高,A的平衡轉化率減小,說明正反應是放熱反應,H
例2.(2)在一體積為10L的容器中,通入一定量的CO和H2O,在850℃時發生如下反應:CO(g)十H2O(g)?葑CO2(g)十H2(g)十Q(Q>0)
CO和H2O濃度變化如下圖,則0―4min的平均反應速率v(CO)=______mol/(L?min)
(3)t℃(高于850℃)時,在相同容器中發生上述反應,容器內各物質的濃度變化如上表。
①表中3min―4min之間反應處于_________狀態;
C1數值_________0.08mol/L (填大于、小于或等于)。
②反應在4min―5min之間,平衡向逆方向移動,可能的原因是________(單選),
表中5min―6min之間數值發生變化,可能的原因 (單選)。
a.增加水蒸氣 b.降低溫度 c.使用催化劑 d.增加氫氣濃度
解析:第(2)小題是利用圖象數據求化學反應速率。0―4minCO的平均反應速率應為4min內的濃度變化(0.20mol/L―0.08mol/L)與時間(4min)的比值,計算結果為0.03mol/L ?min。
第(3)小題將圖表信息和圖象信息相結合,體現了圖象題的新發展。在高于850℃時發生反應,化學反應速率加快,一定在4min前達到化學平衡。另外從表中可看出反應在3min和4min時的各物質濃度相同,故3min―4min之間反應應處于平衡狀態。由于是放熱反應,溫度升高,化學平衡向逆反應方向移動,C1數值應大于0.08mol/L。反應在4min―5min間,平衡向逆方向移動可能是升高溫度、增大生成物濃度、減少反應物濃度等因素引起,所以選d。表中5min―6min之間CO濃度減少,H2O濃度增大,CO2濃度增大,只有增加水蒸氣,使化學平衡向正反應方向移動。所以選a。
二、試題對分析化學反應速率和化學平衡圖象題的啟示
1.牢固掌握有關的概念與原理,尤其要注意:外界條件的改變對一個可逆反應來講,正逆反應速率如何變化,化學平衡如何移動,在速度―時間圖、轉化率―時間圖、反應物的含量―濃度圖等上如何體現。
2.對于化學反應速率的有關圖象問題,可按以下的方法進行分析:
(1)認清坐標系,搞清縱、橫坐標所代表的意義,并與有關的原理聯系。
(2)看清起點,分清反應物、生成物,濃度減小的是反應物,濃度增大的是生成物;一般生成物多數以原點為起點。
(3)抓住變化趨勢,分清正、逆反應,吸、放熱反應。改變溫度時,正逆反應速率變化的趨勢是相同的,如升高溫度正逆反應速率均增大,只是增大的倍數不相同,吸熱反應方向增大的倍數更多,降低溫度,正逆反應速率均減小,放熱反應方向降低的倍數小在速率一時間圖上,要注意看清曲線是連續的還是跳躍的,分清漸變和突變,大變和小變。例如,升高溫度時,v(吸)大增,v(放)小增;增大反應物濃度時,v(正)突變,v(逆)漸變。在速率―時間圖像上濃度的改變是相接的,改變溫度,壓強,速率的圖像是不相接的。
(4)注意終點。例如在濃度一時間圖上,一定要看清終點時反應物的消耗量、生成物的增加量,并結合有關原理進行推理判斷。
3.對于化學平衡的有關圖象問題,可按以下的方法進行分析:
(1)認清坐標系,搞清縱、橫坐標所代表的意義,并與勒夏特列原理聯系。
(2)緊扣可逆反應的特征,看清正反應方向是吸熱還是放熱;體積增大、減小還是不變;有無固體、純液體物質參加或生成等。
(3)看清速率的變化及變化量的大小,在條件與變化之間搭橋。
(4)看清起點、拐點、終點,看清曲線的變化趨勢。
化學反應速率是表示化學反應進行快慢程度的物理量,用單位時間內反應物濃度的減少或生成物濃度的增加表示。主要受濃度、壓強、溫度、催化劑四個外界條件的影響。反應物(除固體、純液體外)濃度增大,反應速率增大;對有氣體參加的反應,增大壓強,反應速率增大;升高溫度,任何反應速率均增大;使用催化劑,同等程度改變正、逆反應速率。化學平衡狀態是指在一定條件下的可逆反應,當正反應速率和逆反應速率相等,混合物中各組分濃度保持不變的狀態。化學平衡狀態與條件相關,條件改變平衡移動,主要受濃度、壓強、溫度三個外界條件影響。增大反應物濃度或減小生成物濃度,平衡正向移動;減小反應物濃度或增大生成物濃度,平衡逆向移動;增大壓強,平衡向氣體體積縮小方向移動;減小壓強,平衡向氣體體積增大方向移動;升高溫度,平衡向吸熱反應方向移動;降低溫度,平衡向放熱反應方向移動。
理論部分概括起來不過幾句話,但學生在運用這部分理論解題時,總是問題不斷,如果題目是將理論的考查間接地用圖像的形式呈現時,對大多學生而言,這更是難以逾越的障礙。本文對化學反應速率和化學平衡圖像的類型進行總結,借圖像的具象加深對理論的理解。
一、常見的化學平衡圖像
以下圖像均為對反應mA(g)+nB(g) pC(g)+qD(g) ΔHp+q所作的分析:
1.v-t圖像
t1時,增大反應物A的濃度,瞬間增大正反應速率,在這一瞬間對逆反應速率沒有影響,因此使得新的正反應速率大于逆反應速率,平衡正向移動。t2時,升高溫度,正、逆反應速率均增大,但平衡逆向(逆反應為吸熱反應)移動,新的逆反應速率大于正反應速率。t3時,減小壓強,正、逆反應速率均減小,平衡逆向(逆反應為氣體體積增大方向),新的逆反應速率大于正反應速率。t4時使用適當的催化劑同等程度增大正、逆反應速率,平衡不移動。
2.c(或百分含量)-t圖像
壓強P1達到平衡的時間于P2達到平衡的時間,因此P1P2(壓強大,反應速率快,達到平衡時間短),P1到P2為增大壓強,平衡正向移動,反應物A的百分含量減小。溫度T1和T2變化亦進行類似分析,不再詳述。
3.c(或百分含量)-p(T)圖像
溫度相同時,壓強P2時A百分含量大于P1時A的百分含量,標志平衡正向(氣體體積縮小)移動,因此P2到P1是壓強增大的過程。溫度T1至T2作壓強相同時的類似分析即可。
4. 反應物轉化率-t圖像
使用催化劑,加快反應速率,縮短達到平衡的時間,平衡不移動,因此得出b是加入催化劑的曲線。
二、解題步驟和技巧
1.認真看清圖像:一看橫、縱坐標的物理意義;二看起點、拐點、交點、終點;三看線的變化趨勢;四看濃度、溫度、轉化率、物質的量等物理量的變化;五看是否需要借助輔助線。
2.依據圖像信息,聯想平衡移動原理,分析可逆反應的特點:正反應為吸熱還是放熱;正反應為氣體體積縮小還是氣體體積增大。
3.充分利用“先拐先平”:即在化學平衡圖像中,先出現拐點的反應先達到平衡,先達到平衡的條件可能是溫度高、濃度大、壓強大或是使用了適當的催化劑。
關鍵詞:化學實驗;實驗教學;案例分析;方法與思路
隨著教學改革的逐步深入,中學化學實驗的教學改革也受到了廣泛關注[1-2]。開展中學化學實驗教學改革,對于培養學生的創新精神和實踐能力、提高中學化學教學質量具有重要意義。目前,在化學實驗教學中,一些教師只注重傳授化學知識,強調實驗結果或結論,卻忽略了引導和啟發學生對實驗過程的探索,這非常不利于培養學生的科學品質和科學態度[3]。化學實驗探究是培養學生科學探究能力、創新能力的主要途徑[4],《義務教育化學課程標準》已明確指出,科學探究是一種重要而有效的學習方式。因此,選好、設計好和利用好實驗,充分發揮實驗的探究功能,培養學生的科學探究品質是化學教師的一項重要工作。在教學實踐中,我們以“影響化學反應快慢因素的探究”為研究課題,探索了素質教育改革背景下化學實驗教學對于培養學生科學探究能力和科學素養的重要性。
1案例與分析
1.1問題的提出
根據提出的研究課題,我們針對化學專業學生在進行教育實習中的課堂授課情況進行匯總,設計了三個不同的案例,三個案例中均針對以下五個問題進行:(1)探究判斷化學反應快慢;(2)探究反應物本身對化學反應快慢的影響;(3)探究溫度對化學反應快慢的影響;(4)探究濃度對化學反應快慢的影響;(5)探究催化劑對化學反應快慢的影響。
1.2教學案例
1.2.1案例一[教師演示實驗]教師在課堂上根據探究的問題依次演示以下四組實驗:①鋅粒分別與1mol/LHCl、1mol/LHAC反應;②雙氧水在熱水浴中分解、在冷水浴中分解;③鋅粒分別與1mol/LHCl、0.01mol/LHCl反應;④雙氧水在不加任何其他試劑下分解、雙氧水在二氧化錳催化下分解。[學生得出結論]學生通過觀察教師實驗,得出每組實驗由于反應條件不相同而引起了反應速率不同。[教師提出問題]哪些因素可能影響化學反應速率?[學生得出結論]影響化學反應速率有反應物本身、溫度、濃度和催化劑。[教師講解并總結]主要有要點兩個:①反應物本身性質、溫度、濃度的變化、合適的催化劑等都會影響反應速率的快慢。②教師分組進行實驗時用到的科學方法:對比法、控制變量法等。1.2.2案例二[設置問題情境]教師通過PPT展示實際生活中的化學反應現象:鋼鐵生銹、溶洞形成、牛奶變質、火藥爆炸、天然氣爆炸等,體會化學反應有快慢之分。[教師提出問題]哪些因素可能影響化學反應速率的快慢?[明確探究任務]首先教師根據可能影響化學反應快慢的因素,向學生提供4組試劑(鋅粒、1mol/LHCl、1mol/LHAC;雙氧水、熱水、冷水;鋅粒、1mol/LHCl、0.01mol/LHCl;雙氧水、二氧化錳)。每個小組只拿到一組試劑,按照課本中的實驗步驟做實驗。教師請同學們思考:通過什么說明化學反應的快慢?哪些因素可能影響化學反應的快慢?[交流研討]學生按照教師提出的問題流程課堂上對以下四個問題進行交流:①教師給你們小組提供的化學試劑是什么?②你們小組預測的影響化學反應快慢的因素有哪些?③通過什么現象說明化學反應的快慢?④實驗現象和實驗結論?[學生得出結論]通過討論,每個小組都能發現一個影響化學反應速率的因素,共同討論找出了影響化學反應速率的大部分因素。[教師總結提升]最后教師對學生交流得出的結果進行總結提升:①生成氣體冒氣泡的快慢、生成沉淀的快慢、顏色變化的快慢等都可以來說明化學反應的快慢。②反應物本身性質、溫度濃度的變化、合適的催化劑都會影響化學反應的快慢。③教師進行分組實驗時所用到的科學方法:對比法、控制變量法等。1.2.3案例三[設置問題情境]元宵節燃放煙花時五彩繽紛的場景和敞開口盛放了一周時間已變質的牛奶為例,對比感受生活中化學反應速率有快慢之分。提出問題:人們在生活中是如何控制化學反應速率的快慢呢?[教師提出問題]影響化學反應速率的因素可能會有哪些?[確定探究的任務]①請預測有哪些因素可能影響化學反應速率?②教師為學生提供的試劑有:Zn、1mol/LHCl、1mol/LHAC、0.01mol/LHCl、雙氧水、熱水、冷水、二氧化錳、Na2CO3粉末、塊狀大理石。③學生分組自由選擇實驗試劑,然后設計實驗方案。④學生思考如何處理有多個影響因素的情況?⑤學生思考通過什么現象說明化學反應的快慢?[展開活動]學生依據探究任務開展小組合作探究活動。教師提供的材料:用來保鮮食品的方法、酸雨對建筑物腐蝕逐年加劇、固體碳酸鈉粉末與稀鹽酸的反應,塊狀大理石與稀鹽酸的反應、工業上催化制氨等。[交流討論]按照教師事先提供好的匯報框架,實驗結束后小組之間進行交流討論:①你們組預測的是哪個(些)影響化學反應快慢的因素?②你們組選擇了哪些試劑?③請寫出你們組的實驗方案?④你們組是通過哪些現象證明化學反應的快慢?⑤當受到多個因素的影響時,你們組是如何處理的?⑥你們組的實驗現象和實驗結論分別是什么?[得出結論]通過探究活動和交流討論,每組將至少能夠發現一種影響化學反應速率的因素,有的小組會完成的特別好,找到了3~4個影響化學反應速率的因素。[小結]教師對整個實驗進行總結,進一步明確探究的結論,強調科學方法及科學思維,引導學生積極將結論應用于生活生產的實際中。
1.3對案例的分析
第一個教學案例中,教師占主導作用,在這一教學過程中,多數學生通過觀看實驗現象,可以得出結論。但存在兩個問題:一方面,多數學生注重的是實驗的成敗,而對實驗操作的規范與否不加以考慮。另一方面,通過教師實驗,學生直接得出結論,與直接灌輸給學生答案差別不大,學生的思考能力沒有得到發揮。第二種教學案例中,教師按照“提出問題說明原理給出結論實驗證明”的程序進行教學,這種模式明確而清晰,有利于學生對相關知識的理解和記憶,教師對整個教學過程也容易控制。同時,教師創設問題情境,能夠引起學生的興趣,教學過程相對簡單,節省了課堂教學時間,教師普遍喜歡采用這種模式。仔細分析,這種模式還是傳統課課堂的演示實驗和學生分組實驗的組合,只是驗證了一個結論。第三個教學案例,實驗的設計是一個完整的化學實驗探究教學過程,在教師的指導下,由學生自主設計,獨立操作完成實驗,教師對實驗的教學方式和教材資料的編排順序均做了改變,這樣使學生主動積極地參與到課堂教學的每一個環節中去,通過學生親自動手和動腦,設計實驗,參與討論,把生活中的、社會中的實際問題與自己的已有的知識聯系起來,提高了課堂實驗教學的效果,進而提高了學生的綜合素質。
2在化學實驗教學中存在的問題
化學是一門實驗性的學科,多年來,化學實驗教學實質上是化學理論教學的附屬,實驗成為理論知識的驗證。這種“重理論,輕實驗”的教學模式不利于發揮學生的主動性和積極性,不利于培養學生的創新思維、創新意識和科學品質。主要的問題有:實驗教學形式主要以教師演示為主,教學模式比較單一,學生主動思考積極性不高。文獻表明[5],約72.41%的教師在教學過程中常常采用演示實驗的實驗教學方式,有27.7%的教師采用邊講邊做實驗的教學方式,只有少數的教師采用科學探究教學方法。教師在課堂上以驗證性實驗為主,僅僅把以培養學生形成化學概念、理解和鞏固化學知識的手段,熟練掌握實驗操作作為實驗的目的。教師在設計探究實驗時,時間上會比較難以控制,有時一節課后,教學內容還沒完成。新教材容量過多,學生沒有足夠的時間去做實驗探究。教師在課堂上重結論、輕過程。中學化學教學中學生實驗能力的培養,尤其是學生在實驗過程觀察能力和思維能力的培養,一直是一個薄弱環節。教師在課堂上進行分組實驗教學組織管理和教學方法不恰當。學生對化學實驗存在著好玩的心理,沒有重視其教育意義,紀律渙散,隨意操作。總之,如何改進化學實驗教學,充分發揮化學實驗教學在促使學生知識內化,培養學生的科學探究能力,培養學生實驗精神方面的優勢,是每位化學教師面對的實際問題。
3提高實驗教學有效性的方法與思路
提高實驗教學有效性的方法從轉變實驗教學入手,我們應把驗證性實驗變為探究性實驗,培養學生科學探究的能力。在教學中需要通過教學設計增加其探究程度,設計的關鍵是引導學生提出問題再通過實驗進行探究。提高實驗教學有效性的思路方面,我們應把注重實驗技能的培養轉變為注重實踐能力和創新精神的培養。更新教學理念,充分認識到化學實驗教學的功能,一方面,是學生學習的重要內容,另一方面,也是學生學習化學的一種方法,教師要調動學生動手、動口、動腦、動心。教師應將技能的訓練融于實驗探究之中,積極引導學生將注意力放在探究活動上,通過探究活動的開展,形成化學實驗技能,使實驗技能的訓練成為實驗探究活動的結果。
4研究結論
本文通過對具體教學案例的設計與分析,一方面,我們指出了在化學實驗教學中存在的問題;另一方面,提出了準教師在課堂教學中提高實驗教學有效性的方法與思路。通過對案例進行比較分析,我們指出了在化學實驗教學中存在的問題有:實驗教學形式較單一,主要以教師演示為主;驗證性實驗在課堂上占主導;實驗教學重結論、輕過程,能力培養不全面;實驗教學組織管理和教學方法不當。提高實驗教學有效性的方法是變驗證性實驗為探究性實驗,提高實驗教學有效性的思路是把注重實驗技能的培養轉變為注重實踐能力和創新精神的培養。化學實驗教學是應試教育向素質教育接軌的重要方法,而化學實驗教學的實現需要在學校、教師、學生的交流與合作下才能實現,以上提出的一些方法與理論可以在一定程度上對提高實驗教學效率有效,但是這些是遠遠不夠的,還需要更多更專業的研究人員不斷探索。
參考文獻
[1]龍生.化學實驗教學改革及其反思[J].化學教學,2005(11):50-52.
[2]董麗梅.淺析當前高中化學實驗教學中存在的問題及其對策[J].中學化學教學參考,2014(6):44.
[3]呂宏宇.中學化學實驗教學中培養學生科學品質的理論與實踐[J].化學教學,2006(4):41-44.
[4]陳芳英.實驗激趣探究創新:科學課中開展實驗探究的嘗試[J].教學月刊,2007(3):45-46.
關鍵詞:XLPE電纜;老化;失效
中圖分類號:TM247 文獻標志碼:A 文章編號:2095-2945(2017)19-0173-02
引言
在電能傳輸的過程中,電能傳輸隨著國民經濟的增強,交聯聚乙烯(XLPE)電力電纜及附件制造、安裝、運行管理技術水平的提高,城市電網的電纜化率有了飛速的發展,中高壓電力電纜年投運量10萬公里以上,并且呈逐年上升的趨勢。電纜由于敷設于地下,不占地面空間,有利于市容美觀;而且同一地下電纜通道可以容納多回線路,輸送容量適應性強;受自然條件和周圍環境影響較小,配合環網柜、分接箱等設備,可進行多線路聯絡,運行方式較為靈活,可大大減少停電次數和停電范圍,使得配網供電可靠性得以提高。
1 LPE電力電纜的性能要求
容量越大、電能損耗與電壓損耗越小、傳輸電能載體的正常使用壽命越長,則電能傳輸就越經濟,其電力電纜結構圖如下:
XLPE電力電纜作為電能傳輸的一種載體,為滿足電能傳輸的經濟性要求,需具備的主要性能有以下四點。
1.1 優良的導電性能
導電性能是針對電纜導體而言的,導電性能越好,電能損耗與電壓損耗越小,電能輸送的成本越低以及電壓質量也越高。
1.2 優良的絕緣性能
絕緣性能是針對絕緣層而言的,絕緣性能越好,電能損耗越小,電能輸送越經濟。絕緣性能的特征量有絕緣電阻、介電常數、介質損耗、擊穿場強等。絕緣電阻與介電常數決定了泄漏電流的大小;泄露電流越小,絕緣層引起的損耗即介質損耗就越小;擊穿場強越高,則電纜抗高壓沖擊性越好,電纜越不易破壞,因而正常使用壽命越長。
1.3 優良的機械性能
機械性能是針對電纜整體而言的,機械性能越好,電纜正常使用壽命越長。機械性能的特征量主要有拉伸強度、斷裂伸長率、彎曲強度、沖擊強度、硬度等。電纜在制造、運輸、敷設的過程中會產生拉應力、彎曲應力、摩擦力等,這些對壽命都有決定性作用。
2 XLPE電力電纜運行中常見失效形式
交聯聚乙烯(XLPE)電力電纜失效指失去其應有的功能。失效即失去原有功能的含義包括三種情況:(1)組成元件由于斷裂、腐蝕、磨損、變形等,從而完全喪失其功能。(2)組成元件在外部環境作用下,部分的失去其原有功能,雖然能夠工作,但不能完成規定功能。(3)組成元件雖然能夠工作,也能完成規定功能,但繼續使用時,不能確保安全可靠性。如經過長期高溫運行的壓力容器及其管道,其內部組織已經發生變化,當達到一定的運行時間,繼續使用就存在開裂的可能。
XLPE電力電纜失效形式:
根據XLPE電力電纜實際的運行檢修及故障統計可知,XLPE電力電纜常見的失效部位是絕緣層和外護套;絕緣層的失效形式主要表現為擊穿和老化,外護套的失效形式主要表現為腐蝕。
(1)絕緣擊穿和絕緣老化。絕緣擊穿在XLPE電力電纜工程實際中是一種較為普遍的現象;絕緣擊穿后直接導致電纜喪失傳輸電能的功能。(2)外護套腐蝕。外護套的腐蝕是由于活性介質如外界強電場、化學元素、微生物、輻照等作用導致護套開裂、穿孔的現象,從而喪失對電纜絕緣層的保護功能。
綜上所述,XLPE電力電纜的絕緣老化是引起電纜失效的關鍵原因,也是導致XLPE電力電纜后期運行中故障頻發的決定性因素,因而是影響XLPE電力電纜正常使用壽命的關鍵因素,直接決定了XLPE電力電纜的正常使用壽命,即絕緣老化過程持續時間越長,XLPE電力電纜的正常使用壽命越長,絕緣老化過程持續時間越短,則XLPE電力電纜的正常使用壽命越短。
3 XLPE電力電纜絕緣老化特性分析
3.1 化學反應速率
化學反應速率是指在給定條件下反應物轉變成生成物的速率;速率的快慢通常用平均速率或瞬時速率來衡量。目前,在國內外影響較大、理論本身較為直觀、理論發展較為成熟的化學反應速率理論是有效碰撞理論。
3.2 化學反應速率的影響因素
根據化學常識,影響化學反應速率的因素主要有反應物的濃度、反應進行時的溫度以及外加的催化劑。
(1)濃度對反應速率的影響;(2)溫度對反應速率的影響。
根據化學反應速率與反應物濃度的函數關系可知,反應物的濃度與化學反應速率常數同時決定著化學反應速率的快慢。阿雷尼烏斯定律定量描繪了溫度與化學反應速率常數間的函數關系見式:
式中:kc-表示化學反應速率常數;A0-表示指前因子;e-表示自然κ的底;Ea-表示活化能;R-表示氣體常數。
(3)催化劑對反應速率的影響
4 XLPE電力電纜絕緣老化
因溫度是影響XLPE電力電纜絕緣老化的主要因素,由溫度引起的老化通常稱為熱老化。XLPE電力電纜絕緣熱老化過程中發生的化學反應主要是熱降解反應。降解反應分為解聚反應、無規斷鏈反應和側基消去反應。解聚反應是由于分子中的薄弱點在熱能的作用下鏈節脫落形成單體并在脫落部位產生游離基;無規斷鏈反應的過程是分子主鏈中弱鍵斷裂產生游離基的過程;側基消去反應的過程就是側基的斷裂產生游離基的過程。XLPE電力電纜絕緣熱老化過程中發生的化學反應主要是熱降解反應。降解反應分為解聚反應、無規斷鏈反應和側基消去反應。解聚反應是由于分子中的薄弱點在熱能的作用下鏈節脫落形成單體并在脫落部位產生游離基;無規斷鏈反應的過程是分子主鏈中弱鍵斷裂產生游離基的過程;側基消去反應的過程就是側基的斷裂產生游離基的過程。絕緣層的熱降解反應速率由反應速率常數決定,由于溫度決定著反應速率常數的大小進而決定了熱降解反應的快慢,也即決定了熱老化速率的快慢,熱老化速率隨著溫度的升高而加快。
XLPE電力電纜絕緣老化的表現特征:
由于XLPE電力電纜絕緣熱老化的過程是一個物理變化與化學變化的過程,隨著物理變化與化學變化的進行,必然伴隨著絕緣材料性能的變化,主要是機械性能和電氣性能的變化。
(1)機械性能變化。描述交聯聚乙烯機械性能的特征量有斷裂伸長率、沖擊強度、拉伸強度、彎曲強度、硬度等。
(2)斷裂伸長率。斷裂伸長率是表征交聯聚乙烯彈性性能的指標,通過拉伸試驗可以測量到。斷裂伸長率的值為試樣在拉斷時伸長的長度與原長的比值。由于交聯聚乙烯在溫度影響下其斷裂伸長率的變化明顯且呈單調變化形式,所以常作為交聯聚乙烯熱老化程度評判的重要特征量。
(3)沖擊強度。沖擊強度是由沖擊試驗測得的指標,它能量度塑料在高速負荷下的韌性,所以亦稱作沖擊韌性。交聯聚乙烯的沖擊強度隨著其老化程度的加劇而逐漸減小。沖擊強度在評定韌性大而伸長不太大的老化時是較常用、且靈敏和可取的指標。
(4)電氣性能變化。描述交聯聚乙烯的電氣性能的特征量主要有絕緣電阻、介質損耗tg?啄、泄露電流、擊穿場強等。電容充電電流;屬于無功電流分量,是由電容和材料的彈性極化引起的,與材料結構、形狀、尺寸大小與外加電壓等因素有關而與絕緣能力的強弱無關;介質吸收電流,包含有功電流分量與無功電流分量,是由材料松弛極化所引起的電流,它與材料的結構、性能、溫度、外加電壓等因素有關;泄露電流,屬于有功電流分量,是由絕緣材料的電導率與外加電壓所決定。
5 結束語
盡管XLPE電力電纜有許多值得被廣泛應用的優點,但是熱、電、氧、機械應力、化學元素、外界環境條件等惡劣的運行環境使電纜絕緣老化與絕緣破壞導致故障發生的例子已屢見不鮮,所以展開對電纜的絕緣老化方面研究是具有一定性意義。
參考文獻:
[1]李紅雷,張麗,李莉華.交聯聚乙烯電力纜在線監測與檢測[J].2010,43(12):31-34.
[2]祁雙慶.66千伏及以上電力電纜絕緣在線監測系統研發與應用[D].北京:華北電力大學,2011.
一、對圖表的分析能力和數據處理能力弱
例1.(2010•福建高考)化合物Bilirubin在一定波長的光照射下發生分解反應,反應物濃度隨反應時間變化如圖所示,計算反應4~8min間的平均反應速率和推測在反應16min時反應物的濃度,結果應是( )
A.2.5μmol•L-1•min-1和2.0μmol•L-1
B.2.5μmol•L-1•min-1和2.5μmol•L-1
C.3.0μmol•L-1•min-1和3.0μmol•L-1
D.5.0μmol•L-1•min-1和3.0μmol•L-1
錯解剖析:看到題目以后,感覺無從下手,沒有認真對圖表進行分析和數據處理,毫無依據的選了一個答案,導致錯誤。
解析:本題考查化學反應速率的計算,意在考查考生對圖表的分析能力和數據處理能力。4~8min間化合物Bilirubin的濃度變化為Δc=10μmol•L-1,則v(Bilirubin)=10μmol•L-14min=2.5μmol•L-1•min-1;根據圖示,每隔4min化合物Bilirubin的濃度減小一半,則16min時化合物Bilirubin的濃度為8min時濃度的1/4,故16min時其濃度為10μmol•L-1×1/4=2.5μmol•L-1,B項正確。
答案:B
二、沒有正確理解速率之比與方程式的計量系數之比的關系
例2.(2010•海南高考)對于化學反應3W(g)+2X(g)4Y(g)+3Z(g),下列反應速率關系中正確的是( )
A.v(W)=3v(Z)B.2v(X)=3v(Z)
C.2v(X)=v(Y)D.3v(W)=2v(X)
錯解剖析:易錯選A、B、D。錯誤地認為化學計量數應該是速率前面的值,造成錯誤。
解析:速率之比等于方程式的計量系數之比。A項,v(W)=v(Z);B項,3v(X)=2v(Z);D項,2v(W)=3v(X)。C項正確。
答案:C
三、忽視化學反應速率的變化特點
例3.一定溫度下,在固定體積的密閉容器中發生下列反應:2HI(g)H2(g)+I2(g)。若c(HI)由0.1mol•L-1降到0.07mol•L-1時,需要15s,那么c(HI)由0.07mol•L-1降到0.05mol•L-1時,所需反應的時間為( )
A.等于5sB.等于10s
C.大于10sD.小于10s
錯解剖析:本題極易錯選B,僅僅根據數據進行計算,錯誤地認為化學反應是一個勻速變化,在相同的時間段內化學反應速率是不變的。
解析:c(HI)從0.1mol•L-1降到0.07mol•L-1過程中:v(HI)=Δc/Δt=0.03mol•L-1/15s=0.002mol•L-1•S-1。假設v(HI)不變,則c(HI)從0.07mol•L-1降到0.05mol•L-1時,Δt=Δc/v=0.02mol•L-1/0.002mol•L-1•s-1=10s。然而反應速率受濃度變化的影響,濃度越大反應速率越快,而0.07mol•L-1比0.1mol•L-1小,反應速率較慢,所需反應時間應大于10s。
答案:C
四、受思維定勢的干擾
例4.用鐵片與稀硫酸反應制H2,下列措施不能使H2的生成速率加大的是( )
A.加熱B.改用濃硫酸
C.滴加少量CuSO4溶液D.改鐵片為鐵粉
錯解剖析:本題極易錯選C,原因在于忽略化合物的特性以及原電池原理的應用。滴加少量CuSO4溶液,使硫酸的濃度減小,但鐵能與CuSO4反應生成銅并附在鐵片表面,與硫酸構成原電池,加快反應速率。
解析:加快反應速率的主要措施,有增大反應物濃度、升高溫度、增大壓強、使用催化劑、增大反應物的接觸面等。本題似乎A、B、D都可以實現目的,但濃硫酸在常溫條件下會將鐵鈍化,因此B措施不可行。
答案:B
五、讀圖轉化信息能力差
例5.一定溫度下,在2L的密閉容器中發生如下反應:A(s)+2B(g)xC(g),ΔH<0。B、C的物質的量隨時間變化的關系如圖1,達平衡后在t1、t2、t3、t4時都只改變了一種條件,逆反應速率隨時間變化的關系如圖2。
下列有關說法正確的是( )
A.x=2,反應開始2min內,v(B)=0.1mol/(L•min)
B.t1時改變的條件是降溫,平衡逆向移動
C.t2時改變的條件可能是增大c(C),平衡時B的物質的量分數增大
D.t3時可能是減小壓強,平衡不移動;t4時可能是使用催化劑,c(B)不變
錯解剖析:易錯選A或C。錯選A,當x=2時,v (B)=(0.3mol/L-0.1mol/L)/2min=0.1mol/(L•min);錯選C,若增大c(C),反應將向逆反應方向移動,B的物質的量增大,所以B的物質的量分數增大。錯選A是沒有看清圖,縱軸表示物質的物質的量,而反應速率的公式中分子是濃度的變化;錯選C是模糊了物質的量和物質的量分數之間的關系,物質的量增加并不意味著物質的量分數增加。
解析:本題主要涉及化學平衡圖像的識別和判斷,圖1是物質的量-時間圖,圖2為速率-時間圖。A中,當x=2時,v(B)=(0.3mol-0.1mol)/2L/2min=0.05mol/(L•min);B中,此反應ΔH<0,降溫平衡正向移動;C中,結合圖2,逆反應速率增大,平衡逆向移動,B的物質的量增大,但是總的物質的量也在增大,所以B的物質的量分數不一定增大;D中,改變壓強,平衡不移動,使用催化劑,平衡亦不移動。
答案:D
六、沒理解透徹外界條件對化學平衡的影響
例6.一定溫度下發生可逆反應:A(s)+2B(g)2C(g)+D(g),
SymbolDA@ H<0。現將1molA和2molB加入甲容器中,將4molC和2molD加入乙容器中,此時控制活塞P,使乙的容積為甲的2倍,t1時兩容器內均達到平衡狀態(如圖1所示,隔板K不能移動)。下列說法正確的是( )
A.保持溫度和活塞位置不變,在甲中再加入1molA和2molB,達到新的平衡后,甲中C的濃度是乙中C的濃度的2倍
B.保持活塞位置不變,升高溫度,達到新的平衡后,甲、乙中B的體積分數均增大
C.保持溫度不變,移動活塞P,使乙的容積和甲相等,達到新的平衡后,乙中C的體積分數是甲中C的體積分數的2倍
D.保持溫度和乙中的壓強不變,t2時分別向甲、乙中加入等質量的氦氣后,甲、乙中反應速率變化情況分別如圖2和圖3所示(t1前的反應速率變化已省略)
錯解剖析:易錯選A或C。錯選A是因為在甲中再加入1molA和2molB與開始加入的加在一起與乙中物質的量相當,但體積只有乙的一半,所以認為A正確;錯選C是因為甲的量相當于乙中的量的一半,當體積相等時就有C正確。錯選A、C都是忽略了在改變條件時,該平衡發生了移動,因此必須在新的條件下考慮各組分量的關系。
解析:做好此題的關鍵,是分析清楚改變條件平衡如何移動。A中可以建立假設的思維模型,設甲的體積與乙的相等,按兩次投料后建立平衡,此時與乙等效,再將甲的體積縮小為原來的一半,平衡會逆向移動,C的濃度就會小于乙中C的濃度的2倍;B中升高溫度,平衡逆向移動,B的體積增加,而氣體總體積卻減少,甲、乙中B的體積分數均增大;C中相當于壓縮乙,增大壓強,平衡逆向移動,乙中C的體積分數小于甲中C的體積分數的2倍;D中由于K不動,增加氦氣不影響平衡移動,而乙由于增加了氣體的量,活塞右移,體積增大,壓強減小,所以平衡發生正向移動。
答案:BD
七、沒注意到隱含條件
例7.如圖所示裝置為裝有活塞的密閉容器,內盛22.4mL一氧化氮。若通入11.2mL氧氣(氣體體積均在標準狀況下測定),保持溫度、壓強不變,則容器內的密度( )
A.等于1.369g/L
B.等于2.054g/L
C.在1.369g/L和2.054g/L之間
D.大于2.054g/L
錯解剖析:易錯選B。依據反應2NO+O22NO2進行計算,由題目所給的條件,混合氣體的質量為30g/mol×0.001mol+32g/mol×0.0005mol=0.046g,這時混合氣體的密度為0.046g/0.0224L≈2.054g•L-1,誤選B。
解析:上述解答沒有注意到存在化學平衡2NO2N2O4。由于平衡的存在,溫度壓強不變的條件下,平衡右移,造成混合氣體的體積小于22.4mL,密度一定大于2.054g•L-1。
答案;D
八、對化學反應是否達到平衡的標志判斷不準確
例8.在一個不傳熱的固定容積的密閉容器中,可逆反應N2(g)+3H2(g)2NH3(g),達到平衡的標志是:①反應速率v(N2)∶v(H2)∶v(NH3)=1∶3∶2,②各組分的物質的量濃度不再改變,③體系的壓強不再發生變化,④混合氣體的密度不變(相同狀況),⑤體系的溫度不再發生變化,⑥2×v(N2)(正反應)=1×v(NH3)(逆反應),⑦單位時間內3molH―H斷鍵反應同時2molN―H也斷鍵反應。說明反應已經達到平衡的一組是( )
A.①②③⑤⑥B.②③④⑤⑥
C.②③⑤⑥D.②③④⑥⑦
錯解剖析:易錯選A、C、D。誤選A是將化學反應速率和化學平衡中的正、逆反應速率混為一談。①只能表示正反應速率,而不能表示正、逆反應速率之間的關系。⑥說明N2減少的速率和NH3(作為逆反應的反應物)減少的速率與方程式的系數成正比,正、逆反應速率相等,應為平衡的標志。誤選C是認為④不是達到平衡的標志,其原因是思維定勢和綜合應用能力較弱。本反應的氣體總質量不變(反應物和生成物皆為氣體),混合氣體的物質的量減小,平均摩爾質量增大,密度增大,密度不變應視為達到平衡的標志。誤選D的原因是疏忽大意較多,忽略了每摩爾氨分子含有3molN―H鍵,單位時間內3molH―H斷鍵反應同時6molN―H也斷鍵反應,才能表示正、逆反應速率相等。
解析:對達到化學平衡狀態的標志,描述是多方面的:從微觀上分析,單位時間內形成化學鍵的鍵數、得失電子數等,都可以表示反應速率;從宏觀上分析,各物質的濃度、體系內物質的顏色、體系的壓強、體系的溫度、混合氣體的平均摩爾質量等,都可以反映出各物質的百分組成變化。在表示反應速率時,一定是表示正反應速率和逆反應速率相等。在討論百分組成變化時,要注意觀察方向,如氣體的顏色,要注意適用的范圍,如從壓強、混合氣體的平均摩爾質量上判斷,僅適用于反應前后氣體的物質的量不等的反應。
答案:B
九、沒有真正理解量的變化
例9.在一個密閉容器中,可逆反應aA(g)bB(g)達到平衡后,保持溫度不變,將容器體積增大一倍,當達到新的平衡時,B的濃度是原來的60%,則( )
A.平衡向正反應方向移動了
B.物質A的轉化率減小了
C.物質B的質量分數增加了
D.a>b
錯解剖析:沒有真正理解量的變化(體積變化引起濃度變化)關系。根據題意,當體積增大時,B的濃度減小,即增大體積(減小壓強)時平衡向左移動,因此A的轉化率減小;根據平衡移動原理,可知a>b。錯選BD。
解析:當容器的體積增大一倍時,若平衡不發生移動,B的濃度應該為原來的50%。但題目指出,新平衡中B的濃度為原來的60%(大于50%),說明平衡發生移動,而且朝正反應方向移動。
答案:AC
十、對等效平衡理解不深
例10.600K時,在容積可變的透明容器內,反應2HI(g)I2(g)+H2(g)達到平衡狀態A。保持溫度不變,將容器的容積壓縮成原容積的一半,達到平衡狀態B。
(1)按上圖所示的虛線方向觀察,能否看出兩次平衡容器內顏色深淺的變化?并請說明理由。
(2)按上圖所示的實線方向觀察(活塞無色透明),能否看出兩次平衡容器內顏色深淺的變化?并請說明理由。
錯解剖析:從實線方向觀察,根據A、B兩狀態下的I2的濃度關系:cB(I2)=2cA(I2),誤以為能觀察到容器內顏色的變化。
解析:狀態A與狀態B的不同點是:PB=2PA,但題設反應是氣體物質的量不變的反應,即由狀態A到狀態B,雖然壓強增大到原來的2倍,但是平衡并未發生移動,所以對體系內的任何一種氣體特別是I2(g)而言,下式是成立的:cB[I2(g)]=2cA[I2(g)]。對第(2)小問,可將有色氣體I2(g)沿視線方向全部虛擬到活塞平面上――猶如夜晚看碧空里的星星,都在同一平面上,則視線方向上的I2分子多,氣體顏色就深;反之,則淺。
答案:(1)可以觀察到顏色深淺的變化。由于方程式兩邊氣體物質的量相等,容積減半,壓強增大到2倍時,I2(g)及其他物質的物質的量均不變,但濃度卻增大到原來的2倍,故可以看到I2(g)紫色加深。 (2)不能觀察到顏色深淺的變化。因為由狀態A到狀態B,平衡并未發生移動,盡管cB[I2(g)]=2cA[I2(g)],但vB[I2(g)]=12vA[I2(g)],即視線方向上可觀察到的I2(g)分子數是相同的,故不能觀察到顏色深淺的變化。
十一、原理不清,應用不明
例11.在體積恒定的密閉容器中發生反應N2O4(g)2NO2(g),ΔH=+57kJ/mol。在溫度為T1、T2時,平衡體系中NO2的體積分數隨壓強變化曲線如圖所示。下列說法正確的是( )
A.A、C兩點的反應速率:A>C
B.A、C兩點氣體的顏色:A點淺,C點深
C.由狀態B到狀態A,可以用升溫的方法
D.A、C兩點氣體的平均相對分子質量:A>C
錯解剖析:(1)忽視條件造成錯誤判斷。判斷B選項時忽視“體積恒定的密閉容器中”這一關鍵條件,錯誤地認為就是減小體積的結果,導致判斷C點的顏色比A點深。(2)原理錯誤遷移。C選項,B狀態到A狀態是壓強不變,研究溫度對反應速率的影響,沒有將NO2的體積分數和平衡移動原理聯系起來,導致錯誤。(3)定量判斷,主觀臆斷。在解答諸如密度、相對分子質量判斷的題目時,不依據具體條件和公式進行判斷,不認真分析物質的聚集狀態、氣體體積或物質的量、質量導致錯誤判斷,誤選D選項。
解析:選項A,在其他條件不變時,壓強越大反應速率越大,達到化學平衡的時間越短,因P2>P1,C點的反應速率大于A點的反應速率;選項B,壓強增大,平衡向逆反應方向移動,NO2的物質的量減小,但容器體積恒定,所以NO2的濃度變小,顏色變淺,故C點的顏色比A點淺;選項C,由狀態B到狀態A,NO2的體積分數增大,平衡向正反應方向移動,生成NO2的反應為吸熱反應,故加熱升溫即可;選項D,A點氣體總的物質的量大于C點氣體總的物質的量,而氣體的體積和質量不變,根據氣體的平均相對分子質量M=m總氣體n總氣體,A點氣體的平均相對分子質量小于C點。
答案:C
十二、對化學平衡常數的定義和意義不清楚
例12.(2010•濰坊質檢)某溫度下,在一個2L的密閉容器中,加入4molA和2molB進行如下反應:3A(g)+2B(g)4C(s)+2D(g),反應一段時間后達到平衡,測得生成1.6molC,則下列說法正確的是( )
A.該反應的化學平衡常數表達式是K=c4(C)•c2(D)c3(A)•c2(B)
B.此時,B的平衡轉化率是40%
C.增大該體系的壓強,化學平衡常數增大
D.增加B,B的平衡轉化率增大
錯解剖析:沒有認識到物質C是固體,導致錯選A;看清楚C是固體,增大壓強,平衡向右移動,生成物濃度增大,反應物濃度減小,誤認為化學平衡常數增大,忽略了平衡常數只與溫度有關,導致錯選C;增加B,平衡右移,誤認為B的平衡轉化率增大,導致錯選D。
解析:化學平衡常數的表達式中不能出現固體或純液體,而物質C是固體,A錯誤;根據化學方程式可知,平衡時減少的B的物質的量是1.6mol×0.5=0.8mol,所以B的轉化率為40%,B正確;增大壓強時平衡常數不變,平衡常數只與溫度有關,C錯誤;增加B,平衡右移,A的轉化率增大,而B的轉化率減小,D錯誤。
答案:B
十三、化學平衡計算類試題不按規律走入誤區
例13.恒溫下,將amolN2與bmolH2的混合氣體通入一個固定容積的密閉容器中,發生如下反應:N2(g)+3H2(g)2NH3(g)。
(1)若反應進行到某時刻t時,nt(N2)=13mol,nt(NH3)=6mol,則a= 。
(2)反應達平衡時,混合氣體的體積為716.8L(標準狀況下),其中NH3的含量(體積分數)為25%。平衡時NH3的物質的量是 mol。
(3)原混合氣體與平衡混合氣體的總物質的量之比(寫出最簡整數比,下同):n(始)∶n(平)= 。
(4)原混合氣體中,a∶b= 。
(5)達到平衡時,N2和H2的轉化率之比:α(N2)∶α(H2)= 。
(6)平衡混合氣體中,n(N2)∶n(H2)∶n(NH3)= 。
錯解剖析:解平衡類試題不運用三段式解題法,易出現思維混亂,找不到平衡時量與起始量的關系。不能熟練快速地使用題設條件,導致無法準確進行運算。
解析:(1)由反應的化學方程式得知,反應掉的N2和生成NH3的物質的量之比為1∶2。設反應掉的N2的物質的量為xmol,則x∶6=1∶2,解得x=3,a=13+3=16。
(2)n平(NH3)=716.8L22.4L•mol-1×25%=32mol×25%=8mol
(3)(4)(5)(6)N2+3H22NH3 n總
開始時ab0a+b
轉化x3x2x
平衡時 a-xb-3x2x32
2x32=0.25 x=4
由關系式a-x+b-3x+2x=32
求得:b=24,所以n(始)∶n(平)=(a+b)∶32=5∶4
a∶b=16∶24=2∶3,α(N2)∶α(H2)=416∶1224=1∶2
平衡混合氣體中,n(N2)∶n(H2)∶n(NH3)=(a-x)∶(b-3x)∶2x=12∶12∶8=3∶3∶2
答案:(1)16 (2)8 (3)5∶4 (4)2∶3 (5)1∶2 (6)3∶3∶2
【糾錯快樂體驗】
1.一定溫度下,向容積為2L的密閉容器中通入兩種氣體發生化學反應,反應中各物質的物質的量變化如圖所示,對該反應的推斷合理的是( )
A.該反應的化學方程式為3B+4D6A+2C
B.反應進行到1s時,v(A)=v(D)
C.反應進行到6s時,B的平均反應速率為0.05mol/(L•s)
D.反應進行到6s時,各物質的反應速率相等
2.利用反應2NO(g)+2CO(g)2CO2(g)+N2(g),ΔH=-746.8kJ/mol,可凈化汽車尾氣,如果要同時提高該反應的速率和NO的轉化率,采取的措施是( )
A.降低溫度
B.增大壓強同時加催化劑
C.升高溫度同時充入N2
D.及時將CO2和N2從反應體系中移走
3.現有下列兩個圖像:
下列反應中符合上述圖像的是( )
A.N2(g)+3H2(g)2NH3(g) ΔH<0
B.2SO3(g)2SO2(g)+O2(g) ΔH>0
C.4NH3(g)+5O2(g)4NO(g)+6H2O(g) ΔH<0
D.H2(g)+CO(g)C(s)+H2O(g) ΔH>0
4.已知在一定條件下有CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)。在某一容積為2L的密閉容器中,加入0.2mol的CO和0.2mol的H2O,在催化劑存在的條件下,高溫加熱,發生如下反應:CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g),ΔH=akJ/mol。反應達平衡后,測得c(CO)∶c(CO2)=3∶2,下列說法正確的是( )
A.反應放出的熱量為0.04akJ
B.平衡時H2O的轉化率為40%
C.若將容器的體積壓縮為1L,有利于該反應平衡正向移動
D.判斷該反應達到平衡的依據是CO、H2O、CO2、H2的濃度都相等
5.可逆反應①X(g)+2Y(g)2Z(g)、②2M(g)N(g)+P(g)分別在密閉容器的兩個反應室中進行,反應室之間有無摩擦、可滑動的密封隔板。反應開始和達到平衡狀態時有關物理量的變化如圖所示:
下列判斷正確的是( )
A.反應①的正反應是吸熱反應
B.達平衡(Ⅰ)時體系的壓強與反應開始時體系的壓強之比為14∶15
C.達平衡(Ⅰ)時,X的轉化率為511
D.在平衡(Ⅰ)和平衡(Ⅱ)中M的體積分數相等
6.某溫度下,在一個2L的密閉容器中,加入4molA和2molB進行如下反應:3A(g)+2B(g)4C(?)+2D(?)。反應一段時間后達到平衡,測得生成1.6molC,且反應的前后壓強之比為5∶4(相同的溫度下測量),則下列說法正確的是( )
A.該反應的化學平衡常數表達式是K=c4(C)•c2(D)c3(A)•c2(B)
B.此時,B的平衡轉化率是35%
C.增大該體系的壓強,平衡向右移動,化學平衡常數增大
無機及分析化學不是無機化學、分析化學兩門課程的疊加,教學內容豐富,概念和理論知識較多,各章節之間的獨立性較強。因此合理安排教學內容,幫助學生轉變學習方法及思維方式無疑是大一第一學期開設這門課的關鍵。在內容的安排上,前兩章首先回顧高中的一些化學基礎知識,并介紹了誤差及數據處理,稀溶液的依數性和膠體溶液。然后,第三和四章主要介紹化學熱力學、化學動力學及化學平衡,讓學生掌握反應三要素:反應方向即吉布斯函數變,反應快慢即反應速率常數,反應限度即反應平衡常數。第五章主要介紹物質的結構,離子鍵及共價鍵理論和晶體結構。第六、七、八和九章分別介紹酸堿平衡、溶解沉淀平衡、氧化還原平衡和配位平衡及其對應滴定分析法,讓學生掌握測試固體或溶液中某種元素含量的分析測定方法。最后,第十、十一和十二章主要介紹一些簡單儀器分析法及原理,例如:第十章吸光光度法,不僅要介紹該方法的原理朗伯-比爾定律,還要介紹目視比色法、示差法和標準曲線法三種常用的吸光光度法分析法。內容上總體上是先講理論原理,再介紹知識點,將理論原理融入生產實踐中,使學生較快地掌握化學理論,再通過課堂上的一些練習題,使學生加深教學內容的記憶,知識更加系統。這樣不僅可以將無機和分析化學知識點有機的融合,還可以將理論應用到生活實踐中。在一學年的學習中,總共80學時,第一學期學習前六章共計48課時,第二學期學習后六章共計32課時。在教學過程中,應該精選教學內容,使學生掌握化學基礎理論知識并具備較寬的知識面,為后續課程學習打下了扎實的基礎。與此同時,教師要熟悉該課程的教材,根據學生的專業,合理制定教學大綱和教學培養方案,精煉教材的內容,對于中學已經學過的化學知識或者與專業聯系較少的理論知識可以簡略講解。比如:第四章的化學反應速率和反應平衡,化學反應速率的定義,影響化學反應速率的因素以及化學平衡的移動;第八章氧化還原反應的定義,配平,得失電子,氧化劑和還原劑等概念知識。這些知識點中學都已經涉及過,教師在授課時只要簡單介紹即可。對于能源化學工程專業而言,水煤漿的開發和利用是近年來的一個熱點,也是煤炭清潔利用的重點。因此,對于第二章分散系的內容應該詳細講授,再介紹水煤漿分散系。
2激發學生興趣
興趣是最好的老師,要學好無機及分析化學,首先要激發學生的興趣。第一,在無機及分析化學這門課的緒論課上,主要介紹化學的作用及學習方法。第二,闡明化學與人類生活之間密切聯系,激發學生的學習。第三,無機及分析化學是化學、化工類相關專業的基礎課,其作用無論是對以后的專業課學習還是將來從事工作都具有重要的意義。第四,在平時的課堂教學中,可以多講一些貼近生活的例子,激發學生學習的興趣。例如,在介紹影響化學反應速率的因素時,舉例說明,夏天食物容易變質,我們可以將食物放進冰箱中保存,以防止變質。這是通過降低溫度,達到降低食物變質的速率。汽車尾氣CO和NO是嚴重的環境污染物,從熱力學的角度講,CO+NON2+CO2可以發生,但是遺憾的是,在通常狀況下,該反應進行的非常之慢,以致不能有效地去除車道內的CO和NO。因此,有必要對化學反應的速率問題進行研究,必須考慮外界因素對反應速率的影響,由此可引出本節課要學習的內容。第五,在教學過程中,穿插介紹一些與知識點相關的科技發展新動態及前沿知識,以此調動學生學習的積極性。
3綜合利用各種教學方法
現階段的教學方法多種多樣,而在實際教學中,各種教學方式應該相互結合、取長補短。根據我校無機及分析化學教學團隊多年來教學中的經驗,可以概括為以下幾點:第一,增加課堂討論。針對一些在學習過程中遇到的問題,教師應該指導學生搜集資料,進行課堂討論。在討論的過程中培養學生分析和解決問題的能力;第二,讓學生走上講臺。讓學生走上講臺不僅可以體驗教師備課的準備過程,還可以鍛煉學生的能力;第三,運用多媒體教學,可以使微觀概念及理論形象化。例如,在物質結構基礎這一章,學生一般較難理解,如果用多媒體課件和化學軟件以動畫的形式去展現,課程內容會更加形象、生動。這樣的教學不僅有利于學生理解、記憶,還可以活躍課堂氣氛。第四,對于公式推導,應該板書推理過程引導學生理解。在教學中應避免盲目使用多媒體教學,要將多媒體與其他教學手段結合起來,才會使學生理解公式的推導過程,并能較好的應用公式。
4培養學生能力
為了調動能源化學工程專業學生對無機及分析化學基礎課程的興趣,可以積極組織各類化學競賽活動。我省有各類化學競賽,例如:化學視頻大賽,化學實驗競賽和趣味化學競賽等。近年來,教育部門堅持開展國家級、省部級大學生創新實驗項目,有望培養大學生的創新能力,推動全民創新。此外,為了鼓勵和培養大學生創新激情及能力,我們學校也開展了大學生創新實驗項目。該項目均是由學生親自撰寫項目申請書,申請答辯ppt,中期考核表,結題報告和結題答辯ppt等資料。這不僅培養了學生創新能力,還為學生日后工作和學習培養科學合理的方法和實踐能力提供了基礎。
5適應專業要求
能源化學工程專業的技術性和實踐性較強,在無機及分析化學的教學中,要把握專業的特殊要求,認真學習我校能源化學工程專業人才培養方案,深入研究教學大綱,充分了解無機及分析化學在整個專業課程體系中的作用,明確教學過程中的內容和重難點。例如,化學熱力學和化學動力學章節的內容應該詳細講解。這部分內容對于能源化學工程專業的學生而言,可以更好地理解能源轉化及利用過程中的一般規律,為高效、低碳環保使用能源奠定基礎。
6結論
關鍵詞:數形結合 化學原理與圖象
科學思想是科學認識和實踐的思維和基石,是組成科學素質的最高層次要素。數形結合思想是一種重要的的科學思想,是解決高中化學問題的重要的學科思想.什么是數形結合思想呢?在解決化學問題時,根據問題的背景、數量關系、圖形特征,使“數”的問題,借助于“形”的去思考解決問題,或將“形”的問題借助于“數”去思考解決問題的思想稱為數形結合思想.
如何利用數形結合思想呢?
一、看懂圖:理解圖形中點、線、數的化學含義
二、能畫圖:將復雜的化學概念、原理以簡單的圖形表示出來
[典例1]有關Al(OH)3的圖象分析
1.可溶性鋁鹽溶液中逐滴加入NaOH溶液至過量圖象:
圖象的意義:
O-3: n(NaOH)/ n(Al3+)≤1:3時: Al3++3OH-===Al(OH)3
3-4: 3≤n(NaOH)/ n(Al3+)≤4時:Al(OH)3+OH-===AlO-2+2H2O
現象: 立即產生白色沉淀漸多最多漸少消失
應用: 將物質X逐漸加入(或通入)Y溶液中,生成沉淀的量與加入X的物質的量關系如圖所示,符合圖示情況的是( )
解析:A項生成沉淀和溶解沉淀消耗的CO2的物質的量相等;B項沉淀生成與溶解消耗鹽酸量的比例為1∶3,D項開始無沉淀,后來才產生沉淀。答案:C
[教學啟示]以元素單質及其化合物的知識為背景,借助離子反應、氧化還原反應、沉淀量的變化、電化學原理等,注重考察分析圖表信息、數據處理能力.
[典例2]化學速率與平衡圖象分析
根據下圖填空:
(1)反應物是________;
生成物是________。
(2)在2 min內用A、B、C表示的化學反應速率為:
v(A)=__________________________________________。
v(B)=__________________。
v(C)=__________________。
(3)該反應的化學方程式為_____________________________。
解析:(1)圖中A、B、C濃度的變化情況為:
A、B的濃度減小,C的濃度增大,故A、B為反應物,C為
生成物。
(2)
(3)
反應方程式為:3A+2B 3C。