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关键词 模型建构 化学反应速率 学生认识发展 教学设计 教学实验
化学反应速率是化学动力学的重要内容。化学反应速率内容隶属于对化学反应的认识。化学反应是化学科学的核心内容,而化学反应条件又是研究化学反应的核心问题。化学反应速率的研究是确定化学反应条件的重要部分。因此,关于化学反应速率的学习具有重要的理论价值和实践意义。
在高中阶段,化学反应速率的有关内容主要分布在“化学2”模块和选修4“化学反应原理”模块,同一教学内容在不同的学习阶段出现,其学习目标要求定位必然不同,对学生的认识发展价值也存在较大差异。然而,在实际的教学中,很多一线教师往往无法对不同阶段的化学反应速率教学进行准确定位,特别是对于选修模块中化学反应速率的教学,很多老师倍感困惑的是,并不清楚选修模块的教学应该在必修模块学习的基础上发展学生的哪些认识?即把握不好不同阶段关于化学反应速率的教学定位。因此,分析不同教学阶段对化学反应速率内容的教学定位,明确化学反应速率在中学阶段的发展层级,并寻找有效的教学策略提高化学反应速率的教学效果,都是值得进一步研究的。
1 问题的提出
1.1“化学反应速率”教学的已有研究
研究者对化学反应速率的研究主要集中于3类:其一是开发和设计适合学生操作的探究化学反应速率的实验;其二是以化学反应速率内容为依托,体现某种教学设计理念的教学设计;其三是期望提高化学反应速率的教学效果的教学设计研究。
基于对文献的分析,大多数研究对化学反应速率在各个不同阶段的教学目标定位把握不够准确和全面,并且对化学反应速率内容的教学价值挖掘深度不够,有效教学策略还需进一步丰富。
1.2本研究的核心问题
从化学反应速率的概念本体来看,涉及多个重要因素和变量,这些因素和变量与化学反应速率之间以及因素和变量之间都存在一系列相互联系。这类概念的学习对学生的认识发展具有重要价值。但是要帮助学生建立与化学反应速率这一核心概念相关的诸因素变量,并认识这一系列因素变量之间关系的一般规律,形成系统认识,并不容易。模型的一个基本功能就是有助于厘清复杂概念、变量等之间的关系,便于帮助学生建立系统认识,发展学生的系统思维。因此,针对化学反应速率这一涉及多个因素变量的化学概念,设计基于模型建构的教学,有助于实现化学反应速率的教学价值,达到较好的教学效果。
因此,本研究的核心任务为:
(1)建构化学反应速率的认识模型;
(2)深入分析不同阶段化学反应速率内容的教学定位,明确其发展层级;
(3)基于模型建构的“化学反应原理”模块中化学反应速率的教学设计及实施,通过学生访谈和问卷调查检验教学效果。
2 “化学反应速率”的认识模型及发展层级
2.1“化学反应速率”的认识模型
建立以化学反应速率为核心的多因素变量的关系模型,有助于提高化学反应速率内容的教学效果,是本研究的基本假设。通过教学可以帮助学生建立化学反应速率的认识模型,见图1。
图1模型中包括化学反应速率的宏观影响因素和微观影响机理。通过微观影响机理(碰撞理论和活化能理论)建立了各个宏观影响因素——浓度、温度和催化剂对化学反应速率影响的推理关系,有助于发展学生对化学反应速率的系统认识。对于有气体参加的化学反应,压强的改变也会影响其化学反应速率,但是压强对化学反应速率的影响机理最终也是反应物浓度的变化引起的,因此模型中没有明确将其标示出。
另外模型中也体现了对化学反应速率各影响因素的定性认识和定量认识,通过对各影响因素与化学反应速率的定量关系的建立,有助于深化学生对化学反应速率与各影响因素关系的认识,进一步发展学生对化学反应速率的系统认识。
2.2“化学反应速率”内容的发展层级
从《普通高中化学课程标准(实验)》中对“化学2”和“化学反应原理”模块化学反应速率内容的目标要求可以看出,不同学习阶段对化学反应速率的学习目标定位是不同的,在高中必修阶段对化学反应速率内容的学习要求主要为定性认识,如知道化学反应有快慢之分,知道温度、浓度、催化剂能够影响化学反应的速率。
在高中选修阶段对化学反应速率的学习要求较高。首先选修模块要发展学生对化学反应速率的定量认识,即知道化学反应速率的定量表示方法,能通过实验测定某些化学反应的速率,能够比较同一反应的化学反应速率和不同反应的化学反应速率;其次经过选修模块的学习,学生应该认识各影响因素对化学反应速率影响的一般规律,包括影响化学反应速率的内在机理,各因素对化学反应速率的影响程度,各影响因素之间的关系等,形成对化学反应速率的系统认识,发展学生的系统思维,从而具备初步调控化学反应速率的能力。
基于对课标中关于化学反应速率内容的目标要求分析,关于化学反应速率的学生认识发展层级如图2所示。
在选修模块化学反应速率内容的教学中,主要定位于发展学生对化学反应速率的第2层级和第3层级的认识。
3 “化学反应速率”模型的教学功能价值
基于对化学反应速率的认识模型的分析,我们认为其功能价值主要表现在以下几方面。
3.1明确和完善认识化学反应速率的角度
学生经过高中必修阶段的学习,对化学反应速率的认识主要是从化学反应速率的定义(化学反应快慢的表征)和影响因素(浓度、温度、催化剂)2个角度,只是初步建立了对化学反应速率的表层认识,此种水平的学习功能较低。
在高中选修模块的学习中,在构建模型的过程中,扩展了认识化学反应速率的能量角度——活化能,即帮助学生能够基于活化能、碰撞理论等建立各影响因素与化学反应速率的推理关系,使学生能够解释为什么温度、浓度、催化剂等因素能够影响化学反应的速率,掌握了其微观机理。基于活化能概念,学生就可以掌握要改变速率,可以有2种途径:其一是改变绝对活化分子数,具体可以通过增加总质量或提高温度来实现;其二是改变活化能本身,具体可以通过使用催化剂来实现。能量角度的加入,不仅能够增加学生基于化学反应速率知识的解释力,而且使学生初步具备了调控化学反应的思路。
3.2发展学生对化学反应速率的定量认识
在“化学2”的学习中,学生已经定性地认识到了化学反应速率的外在表现,知道浓度、温度和催化剂是影响化学反应速率的因素,浓度增大,化学反应速率加快,温度升高,化学反应速率加快;使用催化剂可以改变化学反应速率。这些定性认识的水平较低,但却是发展到定量研究化学反应速率的基石出。
在“化学反应原理”模块的学习中,通过构建模型,发展对化学反应速率的定量认识。主要表现在能定量计算化学反应速率,能比较2个化学反应速率的大小,能设计实验方案对化学反应速率进行定量测量,能明确各影响因素与化学反应速率之间的定量数学关系。学生对化学反应速率的认识从定性发展到定量,促进了学生认识方式类别的发展。
3.3帮助学生形成对化学反应速率的系统认识
通过构建模型,可以提升学生对反应速率的系统认识水平。学生就可以解释与化学反应速率有关的现象,判断和比较化学反应速率的大小,甚至可以基于对各因素的系统分析,选择合适的因素人手干预和调控化学反应速率,并设计相应的实验方案。如对一个具体的化学反应,应该选择改变哪些因素来调控其化学反应速率?优先选择哪个因素?对化学反应速率的系统认识是提高调控化学反应速率能力的必要条件,同时也有助于发展学生的系统思维能力。
3.4帮助学生体会模型建构的思想和方法
化学反应速率的学习过程中,学生会接触到分子碰撞理论这一理论假设模型,质量作用定律和阿累尼乌斯公式这些表征化学反应速率的数学模型。在学习这些模型的基础上,帮助学生建立以化学反应速率为核心的涉及各个因素变量的认识模型。在接触和学习这些模型的过程中,学生能够学习到很多有价值的化学科学研究方法和化学学科思想。
早期人们对于化学反应的认识为,反应物分子之间发生相互碰撞,于是就发生了化学反应。但是,历史上科学家注意到改变不同反应物浓度对化学反应速率的影响不同,这一现象激发化学家深入思考,如果所有的碰撞都会发生化学反应,那么各反应物浓度的改变对化学反应速率的影响就会相同,而且化学反应速率将会快得不可思议。因此化学家又提出了有效碰撞的假设,最后在提出活化能、活化分子和研究反应历程的基础上,提出较为完善的碰撞理论。这一理论模型的构建过程,有助于培养学生的理论思维能力。
数学模型是对所研究问题进行一种数学上的抽象,即把问题用数学的符号语言表述为一种数学结构。通过数学模型的逻辑推理、求解和运算,就能够获得客观事物的有关结论。化学反应速率方程是在大量实验经验的基础上得出的数学模型,是浓度与化学反应速率之间的数学关系。不同的化学反应,其反应物浓度与化学反应速率的定量关系是不同的,速率方程实际上是一个经验公式。因此这一数学模型的建立过程有助于扩展学生对规律研究的认识。
关于化学反应速率的认识模型,可以帮助学生掌握这一类涉及多因素或多变量的概念的学习思路和方法。
4 “化学反应速率"教学的关键问题及教学策略
根据化学反应速率认识模型和发展层级的分析,在“化学反应原理”模块,关于化学反应速率的教学有2个关键点,其一是引导学生认识影响化学反应速率的微观本质机理,其二是帮助学生建立关于化学反应速率的系统认识。
4.1化学反应速率的微观本质认识问题
引导学生认识影响化学反应速率的微观本质机理,使学生对化学反应速率的认识从宏观发展到微观水平,是帮助学生认识化学反应速率的一般规律的重要方面。这就要求在教学中引入模型中的能量角度,在微观水平上建立各影响因素与化学反应速率之间的推理关系,这对于学生定性建立各影响因素之间的关系也非常重要。尽管学生已经在绪言课中学习过有效碰撞、活化能、活化分子等概念,但是从学生的前测问卷来看,学生并没有形成主动地利用这些理论解决化学反应速率问题的能力。因此,在教学中可以先设计一系列实验探究,让学生初步从定量和半定量的水平上理解浓度、温度和催化剂对反应速率的影响,然后通过驱动性问题“为什么浓度、温度、催化剂对化学反应速率有影响”,引导学生建构推理关系的路径,并配合微观动画模拟,深化学生的理解。
4.2化学反应速率的系统认识问题
建立3大影响因素之间的关系,包括建立一系列定量关系,使学生对化学反应速率的认识从定性发展到定量,从孤立发展到系统,不仅是认识化学反应速率一般规律的重要要求,同时也是初步形成化学反应速率调控能力的基础。这就要求在教学中设计合适的学生实验,让学生定量测定各单一因素对化学反应速率的影响情况,并比较各因素对化学反应速率的影响程度。另外,还应引导学生认识某一因素内部各变量对反应速率影响的情况,因此教学中可以选取浓度因素进一步研究,设计指向不同反应物浓度变化的实验方案,可以帮助学生经历实验测定数据、处理实验数据、寻找数据之间的关系,建立数学关系模型,体会数学模型建立的过程和方法,帮助学生建立浓度与反应速率之间的定量关系,从而认识到改变不同反应物的浓度对化学反应速率的影响不同,提高学生调控化学反应速率的能力和针对性,提升对化学反应速率认识的系统化水平。
5 基于模型建构的化学反应速率的教学设计与实施
5.1教学设计思路
基于以上分析,“化学反应原理”模块基于模型建构的化学反应速率的教学可以分为2个课时。第1课时主要通过实验探究和理论探究,建构化学反应速率的认识模型的各个因素变量,初步发展学生对化学反应速率的定量认识和系统认识;第2课时主要通过扩展模型中的定量关系,如深入定量探究浓度因素对化学反应速率的影响,以及借助阿伦尼乌斯公式(温度、活化能与反应速率的定量关系),发展学生对各影响因素对化学反应速率影响关系的系统认识,并通过实际情境应用模型,活化模型,体验模型的有效性。基于模型建构的教学设计简要思路如表1、表2所示。
5.2教学效果分析
为了验证“模型建构”在化学反应速率内容教学中的效果,本研究选取了北京市某重点中学高中二年级2个教学班级为被试对象,分别按照以上基于模型建构的化学反应速率教学设计方案和传统的教学方案进行2课时的教学。问卷前测表明2个班级的起点水平是相当的。教学结束后,组织了问卷测查,测查的内容主要包括以下几个方面:对化学反应速率的定量认识(包括对化学反应速率的定量计算以及化学反应速率与各影响因素的数学关系)、认识化学反应速率的角度(主要是看学生是否建立了认识化学反应速率的能量角度)、对化学反应速率认识的系统性情况。
(1)对化学反应速率的定量认识情况
关于化学反应速率的定量认识情况,从基于物质的反应速率定量计算、基于物质的反应速率与方程式系数关系、不同化学反应的化学反应速率计算比较、定量测定浓度对化学反应速率的影响、浓度与化学反应速率的定量数学关系(速率方程)等方面进行测查。
结果表明,基于模型建构的化学反应速率的教学在发展学生的定量认识的几个方面都优于传统教学。其中定量测定浓度对反应速率的影响方面实验班显著高于对照班(sig=0.000)。另外,基于物质的反应速率定量计算和反应速率与方程式系数的关系已经被教师提前至必修模块学习,教学中没有涉及,2个班对这2方面的掌握情况没有显著差异。
尽管实验班学生对化学反应速率的定量认识水平较高,但是仍只是达到了层级发展的2级水平。即学生已经掌握了化学反应平均速率的计算,以及基于具体物质的化学反应速率与化学方程式系数的关系。基本掌握了定量测定化学反应速率的思路方法,能够理解平均反应速率和瞬时反应速率的区别。在比较化学反应的速率方面,学生能够比较同一化学反应在不同条件下的化学反应速率。但是仅有41.40%的学生能够正确比较不同化学反应之间的反应速率大小。即学生掌握的化学反应速率的定量计算是基于具体物质(反应物和生成物)的化学反应速率,在基于化学反应的速率的定量表示和计算方面欠佳。
另外,绝大多数学生不能主动利用浓度、温度、活化能等与化学反应速率的数学关系——速率方程或阿伦尼乌斯公式明确说明各影响因素对化学反应速率的影响关系。
(2)建立认识化学反应速率的能量角度的情况
关于认识化学反应速率的能量角度的建立,有助于学生深入认识各影响因素对化学反应速率影响的微观本质。学生是否具备了认识和理解化学反应速率的能量角度,主要是看学生在解释影响化学反应速率的因素时以及选择合适的调控化学反应速率的因素时,能否主动地从能量角度解释其内在机理。通过分析问卷测查,发现实验班认识化学反应速率的能量角度情况显著好于对照班(sig=0.000)。综合对能量角度的考查来看,实验班学生的表现比较稳定,说明实验班学生已经初步建立起了比较稳定的认识化学反应速率的能量角度,其对化学反应速率的认识已经从宏观水平发展到微观水平。测查结果也表明,学生用能量角度分析纯学科问题的情况比分析实际情境中问题的情况好。
(3)对化学反应速率认识的系统化水平
学生对化学反应速率的系统认识包括:建立全面的影响化学反应速率的因素;建立浓度、温度和催化剂与反应速率间的推理关系;建立各影响因素间的定性关系;建立浓度、温度、催化剂与化学反应速率之间的定量数学关系。通过分析测查结果,可以发现实验班学生对化学反应速率认识的系统化水平显著高于对照班(sig=0.000)。
实验班学生大都已经建立起影响化学反应速率的各因素间的关系,建立起各因素与反应速率之间的推理关系,能够定性地分析和解释各因素影响化学反应速率的内在机理。但是学生对各影响因素与化学反应速率的定量数学关系的主动外显表现明显较弱。由于定量关系方面的表现较弱,学生对反应速率的认识处于初步系统化水平,即化学反应速率发展层级的第2层级。
6 研究结论与启示
经过教学实践及教学效果分析,本研究得出如下结论:
(1)模型建构对化学反应速率教学是有效的,实验班学生的表现证明了这一点。
(2)化学反应速率认识模型的建立能够促进学生的认识发展,使学生对化学反应速率的认识从孤立(必修阶段)发展到系统,从宏观发展到微观,从定性发展到定量,丰富了学生的认识方式类别,同时活化能这一能量角度的加入,也丰富了学生认识化学反应的角度。
(3)教学设计方案有效地落实了选修阶段化学反应速率的教学目标
我们将选修模块化学反应速率的教学目标定位于化学反应速率发展层级的第2层级和第3层级。问卷调查和访谈结果表明,定量测定浓度对化学反应速率的影响、用碰撞理论(活化能、活化分子)解释浓度、温度和催化剂影响化学反应速率的机理、定性感知催化剂对反应速率的影响大、定量认识催化剂对反应速率影响呈指数级等目标已经较好落实。
(4)对化学反应速率的定量认识的教学目标还有待于进一步显化
课标明确指出,选修模块化学反应速率的教学应该注意发展学生对化学反应速率的定量认识。然而,经过分析可以看出,学生对化学反应速率的定量认识仅处于发展层级的2级水平,并没有达到我们预期的3级水平,即没有达到通过化学反应速率与浓度、温度及催化剂之间的数学关系模型深入理解各因素之间以及各影响因素与反应速率之间的关系水平。其可能的原因有:第2课时,教师在课堂上虽然努力引导学生通过寻找数据之间的关系,建立化学反应的速率方程,但是学生并没有理解到教师的真正意图,学生的理解仍然是认为教师希望通过数据培养大家定量研究化学反应速率的意识,对于定量的结果没有给予太多关注,而且教师在实验结束后的总结部分也没有给予明确的说明;另外教师在第2课时的总结提升部分,仅从定性水平进行总结,强调催化剂的作用,没有引导学生关注这些定量关系,也会影响这一目标的落实。因此教师在教学中应该在这些方面进行改进,注意将设计思路和核心教学目标外显化处理。
(5)教学设计中的实验设计及实施还有进一步改进的空间
教师在2课时的教学中精心设计了一系列实验,这些实验对加强学生对化学反应速率的定量认识有一定效果,如学生对定量测定化学反应速率有了一定的认识,但是教学效果分析却表明,这些实验的教学效果远远没有达到要求。其主要证据是关于化学反应速率的定量数学关系没有建立起来。另外,从学生后测中陈述的对实验目的的理解来看,直到完成学习,学生对几个实验的目的并不是很清楚。还有,第2课时学生实验占有教学时间过长,影响教学进度,也是一个待改进因素。
综合对实验的分析,可以看出,尽管教师设计的实验有助于教学目标的达成,但是由于教学实施过程中实验设计目的的外显化程度不够,或者没有在实验结束后帮助学生进一步明确教学目标,因此学生对实验设计的意图理解还不到位,影响了这些实验的教学效果。
1.教材地位和内容分析
化学反应速率是化学反应条件确定的重要依据之一,作为动力学原理的重要组成部分,化学反应速率的学习和研究具有重要的理论价值和应用价值.在高中化学知识框架中,化学反应速率在必修Ⅱ和选修Ⅳ两个模块呈现,虽然具体的学习要求不同,但足见其在高中化学知识体系中的重要地位.从知识[JP3]内在构成来看,化学反应速率主要包括概念、计算及影响因素等.[JP]
2.当前教学研究存在的问题
在教学过程中,广大一线教师均有这样的体验:学生在单纯地学习化学反应速率概念、计算和影响因素时,普遍感觉比较轻松,但在运用反应速率知识辅助学习化学平衡原理时,原有的对化学反应速率的认识立即变得模糊,容易出现瞬间短路的现象.这样的现象其实反映了一个问题:化学反应速率的知识体系真像原本以为的那样容易被学生掌握吗?那么如何才能帮助学生克服这样的学习障碍呢?笔者以搭建学习支架的方式进行了有益的尝试.
二、理论依据
1.学习支架存在的理论基础
建构主义认为学习是新旧知识反复进行双向交互作用的进程,即对新知识意义的不断建构和对旧有知识意义的不断加以改造、重新组合的过程,也就是从同化到顺应,又由顺应到同化不断循环交替的过程.教学过程中,教师通过搭建学习支架能更好地帮助学生联系旧有的知识经验,展开组内组间合作交流,从而更有利于重新构建新知识.
2.学习支架的概念内涵
所谓支架指的是具有支撑作用的构架,学习支架即是在学生学习过程中对其学习具有支撑作用的辅助工具.确切地说,学习支架是一种旨在帮助学习者构建知识的概念框架,目的是将繁重复杂的学习任务简化分解,从而以便学习者更深入地理解问题.正因为这样,学习支架在各级各类学习中,都应该有着广泛的适用性,尤其是把支架搭建在学习者的最近发展区上,此时效果最佳.教师在搭建学习支架前,应努力创设情境,以期在激发学生学习兴趣的同时唤醒学生脑海中所有相关就知识的记忆,从而更准确地定位学生的最近发展区.同时应该让学生全程参与搭建学习支架、解决所有问题的全过程,既让他们体验获得知识的整个思维过程,又使他们自主搭建学习支架的能力得到发展和提升.
三、案例分析
下面我们就以选修Ⅳ化学反应速率为例,来具体谈一下如何搭建学习支架.
1.准备工作――学生最近发展区分析
学生通过必修II化学反应速率的学习己经初步定性接受了反应速率概念,知道反应速率是表征化学反应快慢的物理量,了解化学反应速率受温度、浓度、压强、催化剂等外部条件的影响,但对于这些外部条件影响反应速率的变化历程、影响效果等知之甚少.学生经过必修阶段元素化合物知识、氧化还原理论的学习储备初步具有了一些定量分析化学反应的经验,但还缺少定量分析化学反应速率的相关经验.学生通过部分演示实验、分组实验掌握了一些控制变量进行对比实验、探究实验的方法和技巧,使掌握定量测定化学反应速率、定量分析外部条件对反应速率的影响效果成为可能.
2.搭建认知支架,整合知识基础
个体学习活动常常受到个体所处的周围环境、文化背景的深刻影响,所以从学习者已有的生活经验出发,创设生活情境,有利于激发学习者的学习热情和学习兴趣,使他们更为积极主动地开展对比与想象,将所要学习的新知识与头脑中原有的旧知识同化顺应,从而整合形成一个更为完善、更加稳固的知识基础.为此,在化学反应速率教学中,设置认知支架:以源自生活的一组图片“食物的变质”“化石能源的形成”“炸药爆炸”帮助学生回忆化学反应快慢的定性直观描述,“校运会百米冲刺”“百米飞人大战”回忆描述快慢的定量方法及定量工具.这样学生很容易由运动会百米计时联想到化学反应速率的定量描述方法为消耗一定量反应物或生成一定量产物所需时间,或是单位时间内反应物的消耗量或产物的生成量.
3.搭建实验支架,培养学科思维
化学是一门以实验为基础的学科,观察实验可以帮助学生获得感性认识的第一手材料,操作实验可以发展学生实践动手能力,分析实验可以提升学生学科思维能力,设计实验更可以提高学生学科素养.在教学过程中,通过化学实验教师和学生将组合成学习统一体,从而产生更多的交互式合作与交流.在设计实验方案定量探究影响化学反应速率的过程中,搭建如下三个实验支架:(1)引导学生对照酸性高锰酸钾与草酸反应原理,明确影响该反应速率的因素,将所有变量分类成自变量、因变量和控制变量,以便帮助学生准确把握控制变量法.(2)引导学生将自变量按浓度、压强、温度、催化剂等因素分类,将抽象的控制变量概念具体化为基于控制变量法设计的一组系列实验,并通过小组合作、交流讨论确定各个实验方案的可行性.(3)引导学生分组操作实验、观察现象,记录相关数据于自己设计的实验报告纸上,并分析处理所得数据,得出实验结论.通过实验支架的搭建,将学生由看热闹的外行变成理性严谨的内行,使学生更深刻地体会到化学学科的研究过程和方法,提升科学素养.
4.搭建概念图支架,发展知识网络
概念图是基于奥苏贝尔认知同化学习理论的网络结构示意图,它以节点表示概念,节点间连线表征概念间内在逻辑关系,将学习过程形象直观为旧有知识网络体系不断同化新知识从而不断扩展的过程.为了使学生顺利接受并理解新知识,教师应首先整固学生的上位概念体系,建立稳定的概念固定点,为新概念的纳入做好充分准备,其次应注意选择合乎学生认知发展规律和知识内在逻辑结构的学习流程,方便学生前后联系,此外还应注意适时对新旧概念展开对比区分,以防错位混淆.因此,在教学中搭建如下支架:(1)必修化学反应速率概念与影响因素概念图;(2)反应速率概念的量化表征、瞬时速率与平均速率概念、同一化学反应中不同物质表征的反应速率及其定量关系;(3)影响化学反应速率的因素的微观解释、图像及一些简单数量关系;(4)化学反应速率完整概念图的整合.通过概念图支架的搭建,引导学生学会从简单到复杂、从局部到整体建构概念图,体验概念图内在的逻辑关系,使所学新知识内化而成的新知识网络体系更加清晰、稳固.
关键词:化学平衡;化学反应速率;经典热力学;化学反应动力学
文章编号:1008-0546(2012)04-0008-02 中图分类号:G632.41 文献标识码:B
doi:10.3969/j.issn.1008-0546.2012.04.003
化学平衡和化学反应速率分别是经典热力学和反应动力学讨论的重要问题之一,两者都受体系温度、压力和物料的浓度影响。在《化学反应原理》模块相关内容的教学上,许多教师容易产生学科认识上的混淆,将两者的影响因素等同看待并相互套用。比如,有的教师在“化学平衡的移动”教学中给学生做这样的总结:“当外界条件发生改变时,如果对正、逆反应速率产生了不同的影响,导致某种物质的转化率发生了改变,原化学平衡就被破坏,并且向着生成更多某物质的那一方移动,即如果导致υ正>υ逆,则向着正反应方向移动,如果υ正<υ逆,则向逆反应方向移动”。上述对化学平衡移动和反应速率变化的动因分析,呈现了一个值得探讨的学科知识问题,是反应速率的变化导致了化学平衡的移动,还是化学平衡的移动导致了反应速率的变化,两者在动因上有必然的联系吗?无疑,化学反应速率与化学平衡的移动总是相互伴生并相互作用,部分教师对两者所包含的化学热力学和反应动力学的学科知识体系的认识还存有模糊,不能正确地区分与应用。因此,有必要从学科知识的角度做进一步厘清,以免贻误教学。
一、化学平衡及其移动的本质
化学平衡及其移动,是经典热力学阐释化学反应限度与反应推动力关系的重要表达方式。经典热力学从物质的宏观状态变化的角度出发,探讨反应中的能量变化关系,并将化学反应式两边看作化学变化前、后的两种热力学状态。通过反应前、后的状态变化,即反应的温度T、焓变ΔH和熵变ΔS阐明了反应进行的推动力,即ΔG=ΔH-T×ΔS(吉布斯自由能变化)。从而为一个反应能否自发进行提供了判断的依据。当然,该推动力仅仅是建立在反应物和生成物互不混合的纯态基础上。对一个实际的反应系统,即使反应的ΔG<0,反应能自发进行,系统的实际反应推动力还要包括反应物、生成物相互混合过程对吉布斯自由能的影响。因此,一个反应系统的反应推动力实际是:
ΔG =ΔG纯态+ΔG混合影响=[(1-ξ)ΔG反应物+ξΔG生成物]+RT[(1-ξ)ln(1-ξ)+ξlnξ] ξ――反应进度
图1中灰线为纯态的反应ΔG变化,实线则是反应系统的吉布斯自由能变化曲线。由图可见,任一个自发进行的反应系统,在一定温度和压力下,其推动力ΔG在某一反应进度上都会有最低状态,该状态就是反应系统的平衡态。也就是说,任一自发进行的反应系统,也会建立一个平衡。当然,不同反应平衡态所处的进度不同,因而就有反应的最大转化率。
在一定温度下,对化学反应aA+bB?葑cC+dD系统来说,反应的平衡态可用平衡常数来描述,用具体反应物和生成物之间的浓度或分压关系表达为:
Kc= 或Kp =。
经典热力学的研究建立了反应系统的推动力与反应限度(平衡常数)之间的关系为:ΔG =-RTLnK。从而确立了化学反应的能量变化与反应限度之间的关系。
从经典热力学有关化学反应平衡理论的概述可以看出:化学平衡是反应系统的热力学状态变化的结果和体现;平衡常数与反应体系温度息息相关;反应平衡体系中各物质的浓度,由平衡常数所决定,但其又以系数的幂次方关系对平衡体系产生影响;反应的推动力或平衡常数可以在一定的反应条件下,由反应物的转化率间接地表达,但平衡体系变化,必然伴随转化率的变化;经典反应热力学仅从反应前、后状态的能量变化的角度出发,去探讨反应的可能性与限度问题,始终都未涉及反应从始态到终态之间的过程问题,也就是说,热力学基础上建立的对化学反应问题的结论,与反应速率之间没有任何的联系。
经典热力学有关平衡移动的理论,为化学反应的应用,提供了反应的状态条件(如反应体系物料配比、压力、温度等)选择的理论依据。比如,合成氨工业中,通过平衡计算可以获得状态条件与最大转化率之间的关系,从而使工业生产可以据此为理想的边界条件,从中寻找提高产率(转化率)的最佳条件。但必须清醒地认识到,合成氨反应在提高产率和生产率(反应速率)这一对相互制约的矛盾中,如何提高反应速率,何时达到上述最佳反应转化(平衡),热力学没有、也无法做出回答。也就是说,热力学讨论化学平衡及其移动问题时,与平衡移动的快慢(反应速率)没有任何的关系。这是我们在教学中应注意把握的学科认识。
二、化学反应速率及其变化的原因
对一个化学平衡体系,正如前述,若其体系中任一状态(平衡条件)的改变,都将引起平衡的移动。平衡的移动是建立一个新平衡的过程,就有过程速率即反应速率的问题。反应速率理论是经典化学动力学对反应历程阐释的基本理论,包括反应速率的概念和分子碰撞理论基本模型。
化学反应速率是指反应物或产物浓度在单位时间内的变化量,可以用υ= 表示。虽然我们在教材中用平均反应速度表示,但是,教师在概念理解上应该意识到,反应是一个动态变化的过程,其进行的每一瞬间,浓度都在发生着变化。因此,速度也在变化,反应速度表示的仅是一个瞬时速度。严格的反应过程描述,应用速率的微分表达式:υ=-。经典的分子碰撞理论对化学反应历程研究最重要的贡献,就是建立了反应活化能的概念,并提出了反应速率影响关系的表达式:υ=k・cn。
n――反应级数;k=A・e。
分子碰撞理论模型指明,反应的发生受制于该反应的活化能垒,反应速率受反应物的浓度、反应温度和活化能的影响。影响反应速率的浓度关系,仅仅是针对反应物。反应物浓度对速率影响的关系,较之化学平衡来讲更为复杂。因为对绝大多数的化学反应来说,并非基元反应,而是分步反应,比如教材中所举的氢、氧燃烧反应的分步反应例子。因此,决定化学反应快慢的,是反应过程各分步基元反应中最慢的那一步,与总反应式中的反应物系数并无直接关系。因此,绝大多数的化学反应,浓度对反应速率的影响,要通过实验测定。各反应物对总反应速率的影响贡献不同,其值称为反应级数n。因此,反应速率与反应历程是息息相关,不同反应的反应物浓度影响表现也各不相同。
化学反应速率理论为我们提供了从动力学上如何控制反应尽快实现平衡的方法指导。比如,加大某一关键反应物料(反应级数高、对反应影响较大的反应物)浓度、通过催化剂改变反应历程、提高反应温度等办法。但是,必须清醒地意识到,上述改变仅仅是改变了反应速率,从而改变了反应平衡达到的时间,却并不能改变反应前、后两种状态的热力学性质。因此,不能改变相同反应条件下的化学平衡和转化率。由此可见,化学反应速率和平衡移动虽然有共同的影响因素,但它们的影响从机理到具体影响形式和程度,都是完全不同的两回事。
三、正确认识反应速率与平衡移动的关系
通过对两个学科知识的回顾可以看到,在一个化学平衡体系中,体系中任何状态的变化都将破坏平衡并导致反应向新的平衡状态移动。平衡的移动是一个过程,必然伴有过程速率即反应速率。随着过程的进行,反应速率在不断地改变直至新的平衡建立。平衡是对过程结果的描述,速率变化则是对反应过程的描述。它们的解释机制是两个不同学科的不同问题,既非化学平衡移动决定反应速率的变化,也非反应速率的变化导致了化学平衡的移动,它们属于各自独立的学科体系问题。
为描述化学平衡的建立过程,我们通常会用一个简单的宏观反应物浓度与时间的变化关系曲线加以表示,如图2。
对于该图的表达,许多教师存在误解:一是将浓度变化画为直线变化;二是认为反应物与生成物变化曲线一定是对称变化;三是如何认识宏观变化与微观运动变化的问题。
该图曲线建立的依据是什么呢?是基于化学反应速率的微分概念:υ=-= k・cn
关键词:化学反应速率;化学平衡;调查研究
文章编号:1005C6629(2017)3C0021C05 中图分类号:G633.8 文献标识码:B
化学反应原理是中学化学中逻辑性最为缜密的一个部分,而最令学生头痛的则是其中的化学平衡部分。化学平衡还包括下位的弱电解质的电离平衡、盐类的水解平衡、沉淀溶解平衡等内容。化学平衡的基本原理是上述所有理论的基础,学生只有真正掌握了化学平衡,才能认知其他特殊条件下的各类平衡问题。
1 “速率”和“平衡”的教学误区
1.1 尽管课标“隔离”了“速率”和“平衡”,但教学中往往混为一谈
化学反应动力学和热力学的基础内容是高中化学反应原理模块的重要组成部分。课程标准要求学生对动力学的认识主要有:(1)知道化学反应速率的定量表示方法,通过实验测定某些化学反应的速率;(2)知道活化能的涵义及其对化学反应速率的影响;(3)通过实验探究温度、浓度、压强和催化剂对化学反应速率的影响,认识其一般规律。而对热力学的要求包括以下两个方面:(1)能用焓变和熵变说明化学反应的方向;(2)描述化学平衡建立的过程,知道化学平衡常数的涵义,能利用化学平衡常数计算反应物的转化率[1]。
很明显,课标对动力学和热力学这两个理论作了明确的“隔离”,即内容上分开来阐述,强调了速率相关内容的过程性以及平衡相关内容的状态性。例如课标要求用焓变和熵变两个状态函数去判断反应进行的方向,要求利用化学平衡常数去计算反应物的转化率等等。动力学和热力学有着不同的研究对象,前者关注的是反应的过程,后者只关涉体系的状态。两者有着本质的差异,而教材往往通过速率来建立平衡,且通过速率的改变来讨论平衡的移动,从而教师往往将两个理论混为一谈,时而“速率”,时而“平衡”,导致学生误以为速率的改变是平衡移动的原因,事实上焓和熵才是影响平衡的关键因素。
在教学实践中,教师往往这样总结:“在一定的条件下,当一个可逆反应的正逆反应速率相等且不等于零时,该反应就达到了动态的化学平衡状态。这种状态的建立需要一定的条件,当条件改变时,导致正逆反应速率改变,从而平衡状态被打破。如果正反应速率大于逆反应速率,那么反应向正方向移动,最终达到一个新的平衡。”这样的表述乍看起来很正确,有条理。但仔细分析其逻辑关系时会发现存在很多问题。比如这样的表述认为速率不变导致了平衡建立,速率的改变引起了平衡的移动,即化学反应速率是化学平衡的原因。这种将热力学和动力学归结为简单的因果关系的错误做法,势必导致学生思维紊乱,因此从源头上区分动力学和热力学才能消除这种认识误区。
1.2 相P研究“隔靴搔痒”,没有涉及教学中如何有效“分离”动力学和热力学
很遗憾的是,相关教学研究并没有关注到教学实践中如何从源头上消除这种混淆,而主要集中在以下三个方面:一是学科本体知识的推导。主要是从学科本体知识层面出发去辨析和论证化学反应速率、化学平衡状态、化学平衡移动等核心概念的内涵和实质,探讨各概念间的联系和区别。该讨论建立在大学物理化学的纯理论知识之上,没有涉及到具体的教和学,缺乏操作性。
二是教学策略与方法的探讨。这类研究一般都起源于教师在实际授课过程中遇到的困惑或者问题,针对某一节课或者某一单元的内容,通过尝试新的教学理念或者改进教学设计和方法来提高教学的实效性,然后分析比较改进后的成果和不足,为其他教师提供参考。但以上研究极少触及学生在本部分产生认知障碍的本质原因:即将混淆了的热力学和动力学作为建构知识的基础。
三是学生学习障碍点的分析。这部分研究主要从教学重难点出发,调查分析学生存在的认知障碍和迷思概念以及形成原因,旨在探讨如何避免学生在认知建构中出现矛盾。但这类研究的关注点集中在教学过程中的策略和方法是否恰当,很少触及到学科本体知识框架的科学性。
1.3 教学误区的实践表征:“以其昏昏,使人昭昭”
在真实的教学情境中主要存在两个方面的问题:一是教师本身理论知识紊乱、逻辑不清,不清楚化学反应速率和化学平衡之间的联系和区别。因此在教学实践中也就无法将这个问题有层次、结构化地呈现给学生。导致学生在认知建构的起始阶段就存在误区,失之毫厘谬以千里,最后无法认清动力学和热力学的本质。
二是学生在学习这一块内容时只考虑速率和平衡的关系,错误地使用速率去推断一切平衡问题,混淆了两个理论不同的适用范围,不能区分过程性问题和状态性问题,导致问题解决时思维混乱,甚至出现分别从“速率”和“平衡”的角度去分析同一个问题,居然得到截然相反答案的情形。如有学生学完速率和平衡之后提出一个问题,“有固体做反应物的可逆反应达到平衡状态后,将固体由块状粉碎成粉末状后,正反应速率增大,逆反应速率没有变化,为何平衡没有移动呢?”学生这种问题出现的根本原因在于学生没有理解化学平衡移动的能量本质。
2 “速率”和“平衡”教学的实证研究
本研究对北京市一所普通学校的高二学生进行调查研究,发放问卷240份,回收有效问卷194份,有效回收率为80.8%。
研究工具分为问卷和访谈两部分。(1)问卷测试。问卷包括对速率及其影响因素的理解、对平衡及其影响因素的理解、对平衡和速率关系的理解三个维度。每个维度均包括两个判断题,每个问题后均要求学生写出判断的原因。(2)半结构性访谈。对6位教师进行深度的半结构性访谈,主要从教师的角度关注教学实践中速率和平衡问题的处理。测试总体结果如图1所示。
学生对于化学平衡的表征、速率表征及速率与平衡的关系掌握较好,正确率在80%以上。但在平衡与状态的关系、速率与平衡的移动等方面表现一般,正确率50%左右。由于相应的理论知识掌握不扎实,导致绝大多数学生在实际问题解决时束手无策,得分率非常低,仅有26%的学生能够很好地解释工业合成氨中的相关问题。图1充分说明了以下几个问题:一是大部分学生能从较低层次理解速率和平衡及二者关系,但未能上升到速率微观变化机理的高度,孤立地考虑速率的各影响因素,没有形成系统;二是接近一半的学生对于化学平衡状态的实质认识有欠缺,不能理解平衡状态只与系统的各状态函数(焓、熵、温度等)有关而与达到平衡的途径无关;三是绝大多数学生对平衡和速率的关系极少能从本质上区分,几乎都停留在各种规律的机械记忆上,化学平衡常数仅仅被作为计算的工具,没有意识到平衡的热力学实质(K与Q的关系)。
2.1 对平衡及其影响因素的理解:半数学生不清楚“平衡只与体系的状态有关,与建立的途径无关”
数据分析结果表明,87%的学生能够正确判断“化学平衡发生移动,但化学平衡常数不一定改变”,其中62%的学生能够指出化学平衡常数仅与温度有关,仅16%的学生能够同时指出化学平衡受多种因素(浓度、温度、压强等)的影响。学生总体的25.7% 在解释这一判断时出现了错误。主要的错误解释有三类,每类约占1/3,具体数据见表1。
有54%的学生能够正确判断“平衡只与体系的状态有关,与建立的途径无关”,其中39.5%的学生能够答出“在等温等压下,固定容积时,1mol N2和3mol H2达到的平衡状态与2mol NH3达到的平衡状态是等同的”或者“以上两种情况是等效平衡”。学生总体中有51.4%在解释原因时出现了错误,没有从热力学的研究角度去看待平衡状态,仍然试图从变化过程推断平衡结果,将动力学套用到热力学问题的解决中,从而导致科学性错误。主要也是三类,具体情况见表1。
2.2 对速率及其影响因素的理解:大部分学生忽视速率的定量特征
数据分析结果表明,82.9%的学生能够正确判断“速率大,现象并不一定越明显”,其中58.6%的学生认为“无明显现象的化学反应即使速率大现象也不显著”。学生总体的24.3%在解释判断原因时出现了错误,主要错误有两种,一是认为速率是物质的量的变化,没有考虑单位时间。数据表明大部分学生对于化学反应速率的意义认识比较清晰,但绝大多数学生仅基于化学反应的某种现象来考虑化学反应速率的大小,忽视速率的定量特征。有研究者指出,“化学反应速率”的广义定义可以表_为“参与反应的物质的‘量’(如质量、物质的量、物质的量浓度等)随时间的变化量”,这一定义是“化学反应速率”普遍的表达方式[3];二是学生错误地认为只有观测到宏观实验现象才能讨论速率,如果没有气泡或者颜色变化等则无法测量速率。事实上,眼见不一定为实,有时现象明显可能速率并一定大。
2.3 对速率和平衡关系的理解:几乎没有学生理解“速率所属的动力学及平衡所属的热力学虽然两者相关,但并不互为因果关系”
有81.4%的学生正确判断“反应速率变化,平衡并不一定移动”,其中68.4%的学生能够举出反例如“催化剂可以改变化学反应速率,但并不能使平衡移动”来证伪该命题,3.5%的学生想到了“对于反应前后气体的物质的量相等的反应压强的改变同等程度地改变反应速率,平衡不移动”;学生总体的38.6%不能正确清楚地表述原因。判断错误的学生原因主要有两点:其一是化学反应速率决定平衡;其二是认为加热等会使速率增大,但平衡有可能不移动。50%的学生能正确判断“平衡正向移动,正反应速率可能变大、变小或者不变”,其中34.3%的学生表示“正反应速率和逆反应速率有可能同时增大或减小,但只要正反应速率大于逆反应速率,平衡即向正反应方向移动”。判断错误的学生主要认为“只有正反应速率增大,且逆反应速率减小,平衡才能正向移动”。
速率是动力学概念,平衡是热力学的概念,属于不同的范畴,两者相关,但并不互为因果关系。因此,应基于能量的视角来理解化学平衡的本质,热力学中的平衡状态是一种体系中所包含的能做功的热量(焓)和分子功(熵)之间的特殊稳定状态。这种状态的存在用平衡常数K和Q的相对大小来衡量,而正逆反应速率相等是化学平衡建立后的一种外在表现形式,使用正逆反应速率的大小变化去推论平衡的相关问题存在科学性错误。
化学热力学认为对任意的封闭系统,当系统有微小变化时,
总之,通过上述讨论,无论是平衡的建立过程还是平衡的移动过程,热力学基础上建立的关于化学反应问题的结论,与反应速率之间没有任何的联系。
3 澄清“速率”和“平衡”教学误区的建议3.1 教师要深刻把握热力学、动力学的联系与差异
化学反应动力学与化学反应热力学是综合研究化学反应规律的两个不可缺少的重要组成部分。由于二者各自的研究任务不同、研究的侧重点不同,因而化学反应动力学与化学反应热力学既有显著的区别又互有联系。因此,教师要从源头上对它们作本质的区分。
化学反应热力学,特别是平衡态热力学,是从静态的角度出发研究过程的始态和终态,利用状态函数探讨化学反应从始态到终态的可能性及变化过程的方向和限度,而不涉及变化过程所经历的途径和中间步骤。所以化学反应热力学只回答反应的可能性问题,不考虑时间因素,不能回答反应的速率和历程。热力学方法不依赖于物质的结构和过程的细节,旨在预示和指出途径而不是解释,因此它只能处理平衡问题而不能说明这种平衡状态是怎么达到的,只需要知道体系的最初和最终状态就能得到可靠的结果[7]。
一般来说化学反应动力学的研究对象包括以下三个方面:化学反应进行的条件(温度、压强、浓度及介质等)对化学反应速率的影响;化学反应的历程(又称机理);物质的结构与化学反应能力之间的关系。化学动力学最重要的是研究化学反应的内因(反应物的结构和状态等)与外因(催化剂、辐射及反应器等存在与否)是如何影响化学反应的速率及过程;揭示化学反应机理;建立总包反应与基元反应的定量理论等[8]。
在对化学反应进行动力学研究时总是从动态的观点出发,由宏观的研究进而到微观的分子水平的研究,因而将化学反应动力学区分为宏观动力学和微观动力学两个领域,但二者并非互不相关,而是相辅相成的。平衡是对过程结果的描述,速率变化则是对反应过程的描述。它们的解机制是两个不同学科的不同问题,既非化学平衡移动决定反应速率的变化,也非反应速率的变化导致了化学平衡的移动,它们属于各自独立的学科体系问题。
3.2 教学顺序可以尝试调整,按照大学顺序先平衡后速率,有利于中学与大学衔接
我们发现,传统教学基本按照人教版教材顺序安排,先讲“化学反应速率”部分,然后通过速率的讨论来研究平衡的建立问题。笔者通过教师访谈发现,他们认为“速率”较为贴近学生的生活经验,且已有认知中的物理概念“速度”易于迁移,所以没有觉得这种教学顺序存在问题。但由于速率的影响因素和平衡的影响因素非常相似,这种教学安排导致前者对后者的学习产生了干扰,学生在后期平衡移动的判断过程中把正逆速率的改变看成平衡移动的本质原因。
教师应当对学生的认知障碍有一定的判断,认识到速率部分的学习对学生认知同化造成矛盾,因此合理调整教学顺序,选择比较合适的教学素材,可以克服这一困境。例如可以采取鲁科版《化学反应原理》中的编排顺序,将化学反应方向和限度放在化学反应速率之前教学。笔者对鲁科版教材编写专家进行访谈,发现该版本教材之所以将“平衡”置于“速率”之前,就是为了避免以往教学中先讲速率的弊端,让学生分清热力学和动力学这两个不同的问题。这样的教学顺序也符合大学化学中的授课顺序,有利于中学到大学的教学衔接。
3.3 引导学生厘清平衡和速率,从热力学的角度解决平衡问题
为了使学生能从本质上理解反应速率的影响因素,教师要使学生将速率的宏观影响因素(浓度、温度、催化剂)和微观机理(碰撞理论和活化能理论)结合起来,只有让学生能从能量角度(活化分子数和活化分子百分数的改变)推理出浓度、温度、催化剂对速率的影响,学生才能不浮于表面的死记硬背。针对化学平衡移动这一学生认知困难的部分,教师应当深刻把握平衡的本质,即将平衡的影响因素归于化学平衡常数K与浓度商Q的不相等,温度改变了平衡常数K的数值,而压强或浓度改变的则是浓度商Q的数值,平衡会向使浓度商Q趋近于平衡常数K的方向移动。
参考文献:
[1]中华人民共和国教育部制定.普通高中化学课程标准(实验)[S].北京:人民教育出版社,2003.
[2][5][6][7]傅献彩等.物理化学(第五版)(上册)[M].北京:高等教育出版社,2006:343~347,348~349,362~365,64
我是通过这样几个步骤来实现这一课时的教学目标的.
一、以学生实验为主体,在实验中体会外界条件对化学反应速率的影响程度.
建构主义理论认为,情境是意义建构的基本条件.因此,建构主义非常强调学习的情境性,强调把所学的知识与一定的任务挂起钩来,提倡在教学中使用真实性任务,让学生通过一定的合作来解决情境性问题,以此建构起能灵活迁移应用的知识经验.
实验是学习化学的最好的老师,任何问题都没有实验来得更有说服力.每次进教室的时候,如果我带了实验仪器进教室,学生就非常好奇,学习的兴致非常快的被调动起来,若这节课按着我以前的思路来上课的话,起码要到离下课还有10分钟的时候再来做.这时学生早已对实验失去了兴趣,这就是心理学上的超限效应.因此,在设计这节课的时候,我一定要让学生自己动手,让他们能亲身体会.如何使他们的学习情趣调动到最大化,我试着让学生先做实验,先从定性角度体会影响化学反应速率的因素.我分别设计了5组实验:1.比较碳酸钠和碳酸氢钠和同浓度的盐酸反应的快慢;2.比较Na2S2O3分别和不同浓度的稀H2SO4反应的快慢(以产生黄色沉淀的先后顺序来判断);3.比较同浓度的Na2S2O3和同浓度的稀H2SO4在不同温度下分反应快慢;4.比较块状与粉末状的CaCO3和同浓度的盐酸反应的快慢;5.比较H2O2在MnO2有无的条件下反应的快慢.通过这5个实验学生立刻就得出结论:影响反应速率的本质原因是物质本身的性质,同时还清楚了外界条件是如何影响化学反应速率的.并能自己举出一些生活实例.只有亲身体验,才会印象深刻,才会有主动发现问题和寻找原因的学习能力.
反思学生实验是以大组为单位,共分5组,每组只做一个实验,相比演示实验,这在一定程度上不仅可以节省时间,还可以很好得营造活跃的课堂氛围.
由实验学生认识到了化学反应速率的快慢受到外界条件[HJ1.18mm]的干扰,在学习的同时,他们又开始探索如何来表示某一个化学反应速率,能否从具体的数值上来判断反应的快慢.于是,我就进行我的第二步教学内容
二、以概念为基础,充分发挥学生的学习能力.
首先,我让学生回忆物理学上有关速率的概念及表达方式,然后,以PPT方式投影化学反应速率的概念,让学生自主完成化学反应速率的表达式,根据学生的书写,最终确定正确的表达式,同时学生也认识到这是一个平均速率.
反思这种方式可以让学习能力薄弱的同学也一同参与,且有成功的喜悦.相比教师直接转述更有利于学生的自主学习,在教学中时时刻刻让学生参与到教学活动中,使其掌握良好的学习方式,为其终身学习打下基础.
三、以练习为突破,充分调动学生的归纳和拓展能力.
在教学过程中,如何能很好得调动学生,让学生的心、手、脑一起动起来,可以有很多种方式,在这一知识点的处理上,我采用多练习,通过练习使学生得到了锻炼,还能高质、高效的完成化学反应速率的推导公式和计算方法.
例1在某一化学反应里,反应物A的浓度在10 s内从4.0 mol/L变成1.0 mol/L,在这10 s内A的化学反应速率为.
该例题巩固学习化学反应速率的计算表达式.
例2向2 L容器中充入0.7 mol SO2和0.4 mol O2,5 s末测得剩余SO2是0.3 mol,则v(SO2)=.
该例题在表达式的基础上进行了变形,通过计算,学生自行得出了化学反应速率的推导公式.并且由该题得出不同物质表示同一反应速率的数值关系,以及引起该关系的原因.
[HTH]例3[HT]反应 A(g)+3B(g)=2C(g)+2D(g) 在四种不同条件下的反应速率为:
A.v(A)=0.3 mol/(L・s) [KG1*2]B.v(B)=0.6mol/(L・s)
C.v(C)=1.0 mol/(L・min ) D.v(D)=0.45 mol/(L・s)
则该反应速率的快慢顺序为 .
这例题会有一大半的学生进入陷阱,我引导学生回忆例2中的结论,最后由学生自己总结归纳在数值上如何比较化学反应速率的快慢.当然,在这个过程中,我一直会提示学生,在这种暗示下,学生学习的归纳能力得到了提高,并能举一反三,自己学会了并理解了知识点.
反思以这种练习的方式引导学生自己归纳出相应的知识点,虽然在时间上花去了比较多,但对学生而言,他们在学习过程中有一种求知的欲望,这种欲望被点燃了,并能很好的解决,学生便能得到满足感,我觉得也很值得.
四、将知识赋予生活生产,提高学生分析问题的能力
课标要求培养学生的情感态度和价值观,希望学生有参与化学科技活动的热情,有将化学知识应用于生产、生活实践的意识,能够对与化学有关的社会和生活问题做出合理的判断.我采用小组讨论的方式来寻找学生身边的事例,使知识得以巩固,同时我还引用了今年苏州市二模试卷上的一道题,来更进一步提高学生用知识解决问题的能力.
某文献报导了不同金属离子及其浓度对双氧水氧化降解海藻酸钠溶液反应速率的影响,实验结果如图9、图10所示.
注以上实验均在温度为20℃、w(H2O2)=0.25%、pH=7.12、海藻酸钠溶液浓度为8 mg・L-1的条件下进行.图9中曲线a:H2O2;b:H2O2+Cu2+;c:H2O2+Fe2+;
d:H2O2+Zn2+;e:H2O2+Mn2+;图10中曲线f:反应时间为1h;g:反应时间为2h;两图中的纵坐标代表海藻酸钠溶液的粘度(海藻酸钠浓度与溶液粘度正相关).
由上述信息可知,下列叙述错误的是 (填序号).
A.锰离子能使该降解反应速率减缓
B.亚铁离子对该降解反应的催化效率比铜离子低
C.海藻酸钠溶液粘度的变化快慢可反映出其降解反应速率的快慢