張?jiān)茣?shū)

[摘? ?要]文章從問(wèn)題的提出、平面坐標(biāo)系的應(yīng)用、學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展、例題解析四個(gè)方面，就如何基于平面坐標(biāo)系記憶化學(xué)反應(yīng)自發(fā)性的判據(jù)規(guī)律進(jìn)行闡述，為提高抽象難懂的重難點(diǎn)知識(shí)的教學(xué)效率提供了方法借鑒。

[關(guān)鍵詞]平面坐標(biāo)系; 記憶;化學(xué)反應(yīng)自發(fā)性;判據(jù)規(guī)律

[中圖分類號(hào)]? ? G633.8? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]? ? A? ? ? ? [文章編號(hào)]? ? 1674-6058（2021）17-0058-03

一、問(wèn)題的提出

由自由能[ΔG=ΔH-TΔS]可知，恒溫恒壓下，一個(gè)化學(xué)反應(yīng)的自發(fā)性可從兩個(gè)方面進(jìn)行判斷：一是由[ΔG]的大小直接判斷。若[ΔG>0]，反應(yīng)不能自發(fā)進(jìn)行;若[ΔG]<0，反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行。二是由[ΔH]、[ΔS]的數(shù)值進(jìn)行判斷[1]。當(dāng)[ΔH<0]，[ΔS>0]時(shí)，反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行;當(dāng)[ΔH>0]，[ΔS<0]時(shí)，反應(yīng)不能自發(fā)進(jìn)行;當(dāng)[ΔH>0]，[ΔS>0]或[ΔH<0]，[ΔS<0]時(shí)，反應(yīng)是否能自發(fā)進(jìn)行與溫度有關(guān)，一般低溫時(shí)以焓變的影響為主，高溫時(shí)，以熵變的影響為主，而溫度影響的大小要視[ΔH]、[ΔS]的具體數(shù)值而定。用[ΔG]的大小作為判據(jù)，因規(guī)律簡(jiǎn)單，容易記憶。用[ΔH]、[ΔS]的數(shù)值作為判據(jù)，結(jié)合自由能[ΔG]的大小，也還能理解。若依據(jù)[ΔH]、[ΔS]的數(shù)值變化來(lái)判斷，就要考慮溫度的影響，這對(duì)學(xué)生而言，難度較大。

二、基于平面坐標(biāo)系歸納化學(xué)反應(yīng)的自發(fā)性

平面坐標(biāo)系中，橫坐標(biāo)為[ΔH]的值：原點(diǎn)左邊，[ΔH<0];原點(diǎn)右邊，[ΔH>0];從左到右，[ΔH]的值逐漸增大?？v坐標(biāo)為[ΔS]的值：原點(diǎn)下方，[ΔS<0];原點(diǎn)上方，[ΔS>0];從下到上，[ΔS]的值逐漸增大。結(jié)合坐標(biāo)系的象限和反應(yīng)自發(fā)性關(guān)系，將平面分為A區(qū)和B區(qū)，A區(qū)——反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行區(qū)，B區(qū)——反應(yīng)非自發(fā)進(jìn)行區(qū)（如圖1）。

依據(jù)[ΔH]、[ΔS]、[T]值的變化，又將A、B區(qū)分為A1、A2、A3，B1、B3、B4（下標(biāo)1、2、3、4分別表示該區(qū)域位于坐標(biāo)系中的第一、二、三、四象限）等6個(gè)區(qū)域。每個(gè)區(qū)域分別代表[ΔH]、[ΔS]、T的變化引起[ΔG]的變化的6種類型。（詳見(jiàn)表1）

為使表格內(nèi)容清晰、簡(jiǎn)潔，便于理解，表格中的“+”表示大于0，“-”表示小于0。其中，第一象限中的A1與B1的分界線偏向[ΔS]上方，暗指高溫時(shí)，反應(yīng)的自發(fā)性以熵變的影響為主;第三象限中的A3與B3的分界線偏向[ΔH]的左邊，暗指低溫時(shí)，反應(yīng)的自發(fā)性以焓變的影響為主。

A區(qū)——反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行區(qū)。包括第一、三象限的局部和第二象限：A1區(qū)，[ΔH]為“+”、[ΔS]為“+”，即值均大于0，暗喻“高”;T為“高溫”，可簡(jiǎn)記為“高、高、高溫自發(fā)”。A2區(qū)，[ΔH]為“-”，即值小于0，暗喻“低”;[ΔS]為“+”，即值大于0，暗喻“高”;T為“低、高溫”，即低溫、高溫均能自發(fā)，可簡(jiǎn)記為“低、高、低高溫均自發(fā)”。A3區(qū)，[ΔH]為“-”，[ΔS]為“-”，即值均小于0，均暗喻“低”;T為“低溫”，可簡(jiǎn)記為“低、低、低溫自發(fā)”。

B區(qū)——反應(yīng)非自發(fā)進(jìn)行區(qū)。包括第一、三象限的局部和第四象限：B1區(qū)，[ΔH]為“+”，[ΔS]為“+”，即值均大于0，暗喻“高”;T為“低溫”，可簡(jiǎn)記為“高、高、低溫非自發(fā)”。B3區(qū)，[ΔH]為“-”，[ΔS]為“-”，即值均小于0，暗喻“低”;T為“高溫”，簡(jiǎn)記為“低、低、高溫非自發(fā)”。B4區(qū)，[ΔH]為“+”，即值大于0，暗喻“高”;[ΔS]為“-”，即值小于0，暗喻“低”;T為“低、高溫”，即低溫、高溫均非自發(fā)，可簡(jiǎn)記為“高、低、低高溫均非自發(fā)”。

為便于聯(lián)想，按先相鄰和后對(duì)稱的順序進(jìn)行記憶。先相鄰，就是先記相鄰區(qū)域規(guī)律。如A1、A2、A3區(qū)域相鄰，為反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行區(qū);B1、B3、B4為相鄰區(qū)域，為反應(yīng)非自發(fā)進(jìn)行區(qū)。后對(duì)稱，就是后記憶坐標(biāo)系中對(duì)稱位置區(qū)域的規(guī)律;A2與B4為第二、四象限，處于對(duì)稱位置，無(wú)論是高溫還是低溫，A2均為反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行區(qū)，B4均為反應(yīng)非自發(fā)進(jìn)行區(qū);第一、三象限處于對(duì)稱位置，既有自發(fā)反應(yīng)也有非自發(fā)反應(yīng)。其中，A1、A3為反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行區(qū)，B1、B3為反應(yīng)非自發(fā)進(jìn)行區(qū)。

可將上述結(jié)論總結(jié)為幾句順口溜：（A區(qū)）高、高、高溫自發(fā)，低、高、低高溫均自發(fā)，低、低、低溫自發(fā);（B區(qū)）高、高、低溫非自發(fā)，低、低、高溫非自發(fā)，高、低、低高溫均非自發(fā)。

三、符合學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展

1.有助于學(xué)生進(jìn)行聯(lián)想

一是[ΔH]、[ΔS]正、負(fù)值的聯(lián)想。平面坐標(biāo)系中，各象限以坐標(biāo)原點(diǎn)為分界線，可據(jù)此聯(lián)想橫、縱坐標(biāo)代表數(shù)值的大小。橫坐標(biāo)：坐標(biāo)原點(diǎn)左邊為負(fù)值，右邊為正值;縱坐標(biāo)：原點(diǎn)下方為負(fù)值，上方為正值。可見(jiàn)，基于平面坐標(biāo)系，有助于學(xué)生記住[ΔH]、[ΔS]的正、負(fù)值所在位置。

二是自發(fā)性與非自發(fā)性類型的聯(lián)想。坐標(biāo)系中，將一個(gè)平面分為兩個(gè)區(qū)，即A區(qū)和B區(qū)，且A區(qū)的3個(gè)小區(qū)域（A1、A2、A3）“相鄰”，它們表示的是反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行區(qū);B區(qū)的3個(gè)小區(qū)域（B1、B3、B4）也“相鄰”，它們表示的是反應(yīng)非自發(fā)進(jìn)行區(qū)，如此就讓6種雜亂無(wú)章的情況變得有規(guī)律可循：只要是自發(fā)反應(yīng)，必會(huì)在A區(qū)，即坐標(biāo)系中的第一、二、三象限的“相鄰”位置;只要是非自發(fā)反應(yīng)，必會(huì)在B區(qū)，即坐標(biāo)系中的第一、三、四象限的“相鄰”位置。

三是“對(duì)稱位置”對(duì)應(yīng)規(guī)律的聯(lián)想。按照“對(duì)稱位置”進(jìn)行分析，不難發(fā)現(xiàn)相互間具有一定的聯(lián)系，因此更便于聯(lián)想和記憶。第一象限的A1區(qū)，規(guī)律是“高、高、高溫自發(fā)”，第三象限的A3區(qū)，規(guī)律是“低、低、低溫自發(fā)”，“高”與“低”互為反義詞，除表示[ΔH]、[ΔS]的“+”與“-”外，同時(shí)還暗含溫度“高”與“低”的對(duì)稱，且同在“自發(fā)”范疇。第二象限的A2區(qū)，對(duì)應(yīng)的規(guī)律是“低、高溫均自發(fā)”，第四象限的B4區(qū)，對(duì)應(yīng)的規(guī)律是“低、高溫均非自發(fā)”，“自發(fā)”與“非自發(fā)”對(duì)立統(tǒng)一。

四是反應(yīng)自發(fā)性、[Δ]H、[Δ]S與溫度之間的關(guān)系的聯(lián)想。[ΔH>0]，[ΔS>0]，在第一象限，分界線偏向縱坐標(biāo)上方，暗含溫度高時(shí)，以熵變的影響為主;[ΔH<0]，[ΔS<0]，在第三象限，分界線偏向橫坐標(biāo)左邊，暗含溫度低時(shí)，以焓變的影響為主。

2.有助于培養(yǎng)學(xué)生的思維能力

一是訓(xùn)練學(xué)生的收斂思維。收斂思維[2]，又稱聚合思維、求同思維、輻集思維或集中思維。在解決問(wèn)題的過(guò)程中，利用好學(xué)生已有知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，把眾多信息和解題可能性引導(dǎo)到條理化的邏輯序列中，有助于得出合乎邏輯規(guī)范的結(jié)論。一個(gè)反應(yīng)，是自發(fā)進(jìn)行，還是非自發(fā)進(jìn)行，與自由能的變化有關(guān);是高溫時(shí)自發(fā)進(jìn)行，還是低溫時(shí)自發(fā)進(jìn)行，或是不能自發(fā)進(jìn)行，與焓變、熵變有關(guān);[ΔH]、[ΔS]的具體數(shù)值又會(huì)受溫度的影響。將符號(hào)[ΔG]、[T]、[ΔH]、[ΔS]及其取值，乃至反應(yīng)的自發(fā)性統(tǒng)一用一個(gè)坐標(biāo)系來(lái)概括，使其系統(tǒng)化、條理化，這本身就是收斂思維的一種訓(xùn)練方式。

二是訓(xùn)練學(xué)生的發(fā)散思維。發(fā)散思維[3]，又稱輻射思維、放射思維、擴(kuò)散思維或求異思維，大腦在思維時(shí)呈現(xiàn)擴(kuò)散狀態(tài)的思維模式，表現(xiàn)了思維視野的廣闊性，呈現(xiàn)出思維多維的發(fā)散狀。學(xué)生看到平面坐標(biāo)系中的橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)，必會(huì)聯(lián)想到其代表的[ΔH]、[ΔS]的數(shù)值、“正”“負(fù)”、溫度T的變化規(guī)律等;看到平面內(nèi)的A、B區(qū)域，必會(huì)聯(lián)想到反應(yīng)的自發(fā)性與非自發(fā)性，進(jìn)而聯(lián)想到各自對(duì)應(yīng)的3種類型;由反應(yīng)自發(fā)性、非自發(fā)性的順口溜，由一個(gè)字、一個(gè)概念，由少到多，由簡(jiǎn)到繁，逐一發(fā)散，逐步展開(kāi)，可發(fā)散出更多的知識(shí)內(nèi)容。這是發(fā)散思維的一種訓(xùn)練方式。

3.符合學(xué)生的認(rèn)知水平

對(duì)于平面坐標(biāo)系，學(xué)生在初中就已學(xué)過(guò)。到了高二，學(xué)生對(duì)坐標(biāo)系中的橫、縱坐標(biāo)的含義，從左到右、從下到上數(shù)值的變化規(guī)律，甚至第一、二、三、四象限的真實(shí)意義都比較熟悉。引入平面坐標(biāo)系，幫助學(xué)生記憶化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行方向的自發(fā)性判據(jù)則水到渠成，學(xué)生容易理解，樂(lè)于接受，積極主動(dòng)地參與學(xué)習(xí)。加之，圖像簡(jiǎn)單明了，使人印象深刻，有助于延長(zhǎng)學(xué)生對(duì)知識(shí)的記憶時(shí)間。

四、例題解析

【例1】（2017·浙江，題干略有改動(dòng)，下同）

已知：2Al2O3（s）=4Al（g）+3O2（g）? ? [Δ]H1=3351 kJ·mol-1

2C（s）+O2（g）=2CO（g）? ? ? ? [Δ]H2=-221 kJ·mol-1

2Al（g）+N2（g）=2AlN（s）? ? ?[Δ]H3=-318 kJ·mol-1

碳熱還原Al2O3合成AlN的總熱化學(xué)方程式是? ? ? ;該反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行的條件是。

解析：由蓋斯定律，得碳熱還原Al2O3合成AlN的總熱化學(xué)方程式是Al2O3（s）+3C（s）+N2（g）=2AlN（s）+3CO（g）? [ΔH]=1026 kJ·mol-1。

關(guān)于反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行的條件，第一步，討論[ΔH]、[Δ]S的大?。涸摲磻?yīng)是一個(gè)吸熱反應(yīng)，[ΔH>0];是一個(gè)氣體系數(shù)之和增大的反應(yīng)，[ΔS>0]。第二步，判斷所在象限：在上述平面坐標(biāo)系中，[ΔH>0]，[ΔS>0]，位于第一象限。第三步，判斷所在區(qū)域：因題干要求“自發(fā)”進(jìn)行，故在A1區(qū)。由A1區(qū)的特征“高、高、高溫自發(fā)”可知該反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行的條件是高溫。

【例2】判斷下列說(shuō)法是否正確。

（1）（2018·江蘇）反應(yīng)4Fe（s）+3O2（g）=2Fe2O3（s）常溫下可自發(fā)進(jìn)行，該反應(yīng)為吸熱反應(yīng)。

（2）（2015·天津）鈉與水反應(yīng)是熵增的放熱反應(yīng)，該反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行。

解析：（1）第一步，討論[Δ]H、[Δ]S的大小：因反應(yīng)屬于緩慢氧化反應(yīng)，為放熱反應(yīng)，[ΔH<0];同時(shí)也是一個(gè)氣體系數(shù)之和減小的反應(yīng)，[ΔS<0]。第二步，判斷所在象限：[ΔH<0]，[ΔS<0]，位于坐標(biāo)系中的第三象限。第三步，判斷所在區(qū)域：因題干的要求是“自發(fā)”，因此位于A3區(qū)，由“低、低、低溫自發(fā)”可知，常溫（可視為“低溫”）下反應(yīng)可自發(fā)進(jìn)行。但題干的敘述是“吸熱反應(yīng)”，與“放熱反應(yīng)”不吻合，說(shuō)法錯(cuò)誤。

（2）第一步，討論[Δ]H、[Δ]S的大小：鈉與水的反應(yīng)2Na+2H2O=2NaOH+H2↑為放熱反應(yīng)，[ΔH<0];是一個(gè)氣體系數(shù)之和增大的反應(yīng)，[ΔS>0]。第二步，判斷所在象限：[ΔH<0]、[ΔS>0]位于坐標(biāo)系中的第二象限。第三步，判斷所在區(qū)域。第二象限即A2區(qū)，由“低、高、低高溫均自發(fā)”可知，低溫、高溫條件下反應(yīng)均可自發(fā)進(jìn)行，說(shuō)法正確。

蘇霍姆林斯基說(shuō)過(guò)：“教師的課要上得有趣，要能激發(fā)學(xué)生的情趣，從而產(chǎn)生良好的學(xué)習(xí)情感?！庇庙樋诹锘蚩谠E歸納知識(shí)就是提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的一種方式。因此，在平面坐標(biāo)系歸納規(guī)律的基礎(chǔ)上，將結(jié)論濃縮為順口溜，并給出具體的解題步驟，既能將抽象難懂的知識(shí)形象直觀化，便于學(xué)生理解和應(yīng)用，又能增強(qiáng)他們的學(xué)習(xí)自信心，更能激發(fā)他們的求知欲。

[? ?參? ?考? ?文? ?獻(xiàn)? ?]

[1]? 宋心琦，何少華.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)·化學(xué)（選修4）[M].北京：人民教育出版社，2007.

（責(zé)任編輯 羅 艷）