以学定教2

——必修模块中“化学反应速率”的课堂讨论

《中学化学教学参考》 2012、10

什么是化学反应速率？“化学反应速率可用单位时间内反应物浓度的减少或生成物浓度的增加来表示，其常用单位是mol·(L·min)^-1或mol·(L·s)^-1。”无论是哪种版本的高中化学必修2教材，都会这样简单明晰地给出“化学反应速率”的概念，以至于教师在教学中也常会过于简明直接地告之这一概念。但任何概念都有其产生的背景，任何定义都有其规定的合理性，教学中如果不让学生充分认识到这些，只顾自己“教”，则难以让学生信服，他们自然不会乐意“学”。

如何让学生认识到需要产生这一概念，并且需要这么去定义？这是师生共同讨论后达成的共识。讨论的思路是从“快慢问题”到“对速率的认识”再到“对化学反应速率的认识”。

一、  对“快慢”及“速率”的讨论

“说说你认为有快有慢的事儿”，这是个任何一位学生都能讲几句的问题。他们会谈到物体的运动，体重的增长，甚至学习成绩的提高等。那么有快慢之分的事件共同的特征是什么呢？学生们自然想到“变化”，有变化的事情才会有快慢，快慢是“比”出来的。以这些低起点、发散性强的问题导入新课的好处一是在于它让大家都有话可说，二是在于它让大家可以说不同的话，这样，一种宽松平等的课堂气氛很快形成。当然，这些看似与化学离得很远的问题也不是无病呻吟，人们在科学世界中建立起的“速率”概念正是源自于在生活世界中对这些现象的认识和思考。

“在物理课上，我们以哪些概念来表达快慢？区别是什么？”学生们会谈到“速度”与“速率”，谈到前者既有大小又有方向，后者只有大小，物体在运动过程中方向可能时时在变，使用“速度”则可更清楚地描述物体运动。学生们还会谈到“平均速度”与“瞬时速度”的差别。“平均速度指某时间内物体运动的位移与所用时间的比值，瞬时速度指运动物体在某一时刻时的速度。”刚开始学生们会机械背诵物理课上学到的概念，但在讨论中他们会认识到不管是“平均”还是“瞬时”，实质上都符合v=Δx/Δt，只不过Δt的大小有所不同，瞬时速度是Δt趋近于零时的情况，也就是说，定义速度大小的时候，分母都是时间变量。那么，接下来自然要追问：“分子上一定是位移的变化量Δx吗？”搜索头脑中对“速度”已有的认知，学生们想起物理课上还介绍过“角速度”，v=Δθ/Δt。无论是线速度还是角速度，速度定义中都是“单位时间内的变化量”，至于这个变化量是用“Δx”还是“Δθ”，那要看具体问题的需要，这是可以变动的。

二、  对“化学反应速率”的讨论

化学反应有快慢之分，因此也需要有概念去表征。那么借助物理学科中已有的概念是很自然而且也是必然的事。需要讨论的是：使用“速度”还是“速率”呢？使用“平均”还是“瞬时”的速度或速率更有意义呢？在讨论中，学生们很快意识到：化学反应的方向只有正向或逆向，并没有许多种，没有必要使用“速度”这一矢量，使用“速率”这一标量已经够用。研究化学反应速率的目的还是为了了解和控制化学反应，了解和控制反应物的消耗量和生成物的生成量。这总是在一段时间内完成的，因此“平均速率”在化学上更有意义。

至此，对化学反应速率这一概念的认识到了最关键的一点：定义单位时间内什么量的变化合理呢？这是一个最有“化学”意味的问题，使得“化学反应速率”与其它各种“速率”区别开来，因此也最值得花时间与学生讨论。举出Zn+H₂SO₄=ZnSO₄+H₂↑这一反应为例。问：“你认为可以用单位时间内哪些量的变化来表示这个化学反应的速率？”学生们谈到很多，如锌粒质量的减少，H₂SO₄浓度的减少，H₂SO₄物质的量的减少，ZnSO₄浓度的增加，ZnSO₄物质的量的增加，氢气的质量增加，氢气的体积增加，氢气压强的增加等等。最后，他们一致认为上述物理量中任何一个都是可以用来表示这个反应的速率大小的。

针对这一认识，教师做了以下演示实验。A、B两支试管对比，A试管中加入1粒锌粒，B试管中加入2粒锌粒，A、B两支试管同时分别加入5mL1 mol·L^-1硫酸溶液和10mL1 mol·L^-1硫酸溶液。在相同时间内，观察到B试管中产生气体明显多于A试管（各滴入2滴肥皂水以便于观察氢气的量）。“你认为哪支试管中反应速率快？”“当然是B试管了！”这是学生们的第一反应。但是随后他们便有了更深入的思考：两支试管中的反应应当一样快啊，它们的差别只是药品用量按比例缩放，并没有其它差异。可为什么会感觉B试管中反应快呢？因为是以氢气的体积变化来判断反应快慢的。如果以锌粒的消耗量来判断反应快慢呢？也会得出同样的结论。那以什么来判断这个反应的速率才会得出两支试管中一样快的结论呢？硫酸浓度的减少。为什么选上了“浓度”？因为硫酸的浓度是处处相等的，不会因为量多量少而变化，而质量、体积、物质的量等这些量是可以加和的。（学生们已经在尝试用自己的语言去描述“强度量”和“广度量”了。）至此，大家意识到，在溶液的量一定时，通过质量、体积等的变化来测定反应速率是可以的，而作为化学反应速率的定义，以单位时间内反应物或生成物“浓度”的变化来表示显然更为合理。

学生们已经学习过的浓度表示有质量分数、物质的量浓度等，以什么浓度来表征方便呢？这个问题对大家来说已不太困难，既然与化学反应相关，化学方程式各物质前的系数是可以代表物质的量的关系的，那自然“物质的量浓度”是表达化学反应速率的首选。

在初步建立了化学反应速率的概念之后，举了一道例题：“一定条件下在密闭容器中合成氨气。若起始时氮气与氢气的浓度分别为1mol·L^-1 和3mol·L^-1，2秒后氮气的浓度为0.8mol·L^-1，请分别以氮气、氢气、氨气的浓度变化表示这个反应在2秒内的速率。”这是一道常规的例题，但课堂上用它并不仅仅在于巩固刚刚建立的概念。针对学生得出的r (N₂)=0.1 mol·(L·s)^-1，r (H₂)=0.3 mol·(L·s)^-1，r (NH₃)=0.2 mol·(L·s)^-1，需要提出这样的问题：3个数据并不相同，是不是说明氢气反应最快，氮气反应最慢，氨气反应得不太快也不太慢？这就涉及对反应的理解了：氮气必须与氢气在一起才能发生这个反应，只能说是相同时间内氮气消耗得最少，不能说反应慢，因为只有一个反应，自然是一种快慢。但显然，以不同物质表达同一反应的化学反应速率数值是可以不相同的，而且符合化学方程式中系数之比。有了这样的讨论环节，学生还是受到启发的，下课就有学生来问：虽然可以用不同物质来表示同一个化学反应的反应速率，但数值不同用起来岂不是很不方便，如果都除以系数，不就都是一个值了吗？显然，他们已经产生了用新的表达方式来定义化学反应的速率的愿望，而且有了解决方案：r≡(1/v_B)Δc_B/Δt。

科学结论都是理由的，学习科学是要讲过程的。哪怕是个很小的概念，也饱含着人类长期思考的智慧，同时也一定存在着人类认识上的局限。这些都是科学教育中最值得展现给学生的精华所在，在我们的教学中不应随意丢弃。