杜德祥

(昆明市第一中学，云南 昆明 650031)

“变化观念与平衡思想” 是化学学科五个核心素养中最基本的核心素养，是学生了解、认识、解决化学常见问题的基础。变化是化学永恒的主题，同时化学变化的过程又是守恒的，守恒是物质世界运动的一大特点，是自然界最重要的基本规律。化学学科中同样存在着守恒现象，物质在发生化学变化的同时会满足诸如：质量守恒、物料守恒、能量守恒、电荷守恒、得失电子守恒等。能从不同的视角对纷繁复杂的化学反应进行研究，揭示各类变化的特征和规律，能用对立统一、动态平衡的观点考察认识化学反应，这是“变化观念与平衡思想”的应有之义。“变化观念与平衡思想”包含几个互为联系的要素：变化的本质、变化的表征、变化是定量的、变化是守恒的、变化伴随能量变化、化学反应速率、化学平衡理论、化学反应进行的方向等。本文侧重探讨如何建构化学变化及变化中的平衡思想。

1 化学反应中的变化和守恒关系

对化学变化的认识：化学变化是原子进行重新组合的过程。因此任何化学变化中都必然存在如下守恒关系：在化学变化的前后，任一原子的种类和个数都相等。质量守恒定律是化学变化前后原子种类和原子个数不变的必然结果。质量守恒定律是进行化学(含离子)方程式配平、方程式正误判断、化学计算等的重要依据。仅举一例来体会高考试题中的创新型试题对质量守恒定律的考查。

例1(2017年全国理综III卷节选)氟他胺G是一种可用于治疗肿瘤的药物。实验室由芳香烃A制备G的合成路线如下：

(3)⑤的反应方程式为。吡啶是一种有机碱，其作用是。

【解析】根据逆向思维法，可容易推出F的结构简式为：

由此⑤的反应中，两种反应物都已经知道，而F的结构简式又已经推出，根据质量守恒定律，可知另一种产物为HCl。所以本题的正确答案为：

；吸收反应产物之一HCl，提高反应物的转化率。

2 化学式(含离子)中元素化合价的推导

某种元素可以形成不同的化合物，在这些化合物中，某种元素的化合价可能不相同，这可以理解为是同一元素在不同化合物中变化的具体内容。但在任何一种化合物中都存在如下的守恒关系：各元素化合价的代数和为零，离子中则表现为：各元素化合价的代数和在数值上等于离子所带的电荷数。

例3(2017年全国理综I卷节选)Li2Ti5O15中Ti的化合价为+4，其中过氧键的数目为。

3 氧化还原反应中的变化和守恒关系

氧化还原反应的本质是有电子转移，表现形式为有元素的化合价发生变化。存在的守恒关系为：任何氧化还原反应中，氧化剂得到的电子总数一定等于还原剂失去的电子总数，即化合价降低的总数一定等于化合价升高的总数。对氧化还原反应的考查，形式多样，但核心几乎都是考查重要氧化剂、还原剂的性质(变化)以及对变化中转移的电子数的考查。

3.1 配平

从方法论的角度，化学方程式(含离子方程式)的配平，如果按照以下先后顺序进行，常常可以起到事半功倍的效果，从而大大提高配平速度：正确标出化合价发生变化的元素的化合价→利用最小公倍数法，使化合价升高的总数等于化合价降低的总数→完善(配平化合价未变的金属元素→配平酸根离子→配平H元素→配平O元素)，若是离子型反应，在配平的“完善”环节，一般按如下顺序进行：配平化合价未变的金属元素→使反应前后电荷守恒，此时要高度注意反应进行的酸碱性环境，常常需要据此来添加H+、OH-或H2O以实现电荷守恒。

本题考核的是氧化还原反应的最核心、最本质的内容即得失电子相等，按照上述方法，首先推出反应前Fe、Cr和N的化合价依次为+2、+3和+5，反应后Fe、Cr和N的化合价依次为+3、+6和+3，根据化合价升降总数相等的原则，可推出FeO·Cr2O3与NaNO3的系数比为2∶7。

3.2 书写

例5(2017年全国理综I卷节选)Li4Ti5O12和LiFePO4都是锂离子电池的电极材料，可利用钛铁矿(主要成分为FeTiO3，还含有少量MgO、SiO2等杂质)来制备，工艺流程如下：

写出“高温煅烧②”中由FePO4制备LiFePO4的化学方程式。

【解析】由题中图示可知反应物为FePO4、Li2CO3、H2C2O4，而产物之一为LiFePO4，Fe的化合价由+3降低为+2，H2C2O4中C的化合价为+3，根据原子结构和元素化合物的基础知识，反应后C的化合价必定会升高变为+4，高温条件下会生成CO2，这样就有FePO4+Li2CO3+H2C2O4→LiFePO4+CO2，根据化合价升降总数相等可得2FePO4+Li2CO3+1H2C2O4→2LiFePO4+CO2。值得注意的是，产物CO2不仅来自于H2C2O4，还来自于Li2CO3，但经过上述操作后就确保了化合价升降总数相等，最后再经完善得：2FePO4+1Li2CO3+1H2C2O4→2LiFePO4+3CO2+H2O，省略数字“1”，可得由FePO4制备LiFePO4的化学方程式为：2FePO4+Li2CO3+H2C2O4=2LiFePO4+3CO2+H2O。

3.3 电化学中的变化和守恒关系

电化学(含原电池和电解池)其实是氧化还原反应应用的一个特殊领域，有电子转移是其本质。普通氧化还原反应中电子的得失是同时、同处发生，而电化学中的电子转移却是同时但不同处发生，这样就必然出现电子的定向移动，由此就蕴含着电化学中的很多“变化”。守恒关系是：无论发生何种变化，一个电极失去的电子总数一定等于另一个电极得到的电子总数。这是电化学中的变与不变的对立统一。

A.负载通过0.04 mol电子时，有0.224 L(标准状况)O2参与反应

B.正极区溶液的pH降低、负极区溶液的pH升高

C.电池总反应为4VB2+11O2+200H-+6H2O=8B(OH)4-+4VO43-

D.电流由复合碳电极经负载、VB2电极、KOH溶液回到复合碳电极

4 水溶液中的变化和守恒关系

水溶液中的变化，一般包括电离、水解以及可能存在的一些反应；而守恒常常指的是三大守恒关系即质子守恒、电荷守恒、物料守恒。

在实际的教学过程中，可以让学生思考并写出如NH4Cl、NaHCO3等溶液中的各种守恒关系以及由这些等式关系推出的一些其它等式或不等式关系。对水溶液中的这种“变化观念与平衡思想”的考查，在历年的高考中也受到了充分的重视，如2017年高考理综I卷第13题、2017年高考理综II卷第12题等，因此应引起师生足够的重视。

5 核反应中的变化和守恒关系

“变化”为：核素等发生了变化。“守恒”为：变化前后质子数、电子数、质量数、中子数等不变。

【解析】由核反应前后质量数相等，有w+4=30+1，得w=27，再根据原子结构以及“元素X、Y的最外层电子数之和为8”，得z=13，即X为铝元素，Y为磷元素。容易推得本题答案为B。

6 热反应中的变化和守恒关系

热反应中的变化包括物质状态的变化以及变化过程中反应途径、化学键等的变化，而守恒则是指描述能量守恒的盖斯定律、旧化学键断裂和新化学键生成过程中的能量变化等。

例8(2020年北京卷)依据图示关系，下列说法不正确的是( )

A. 石墨燃烧是放热反应；B. 1 mol C(石墨)和1 mol CO分别在足量O2中燃烧，全部转化为CO2，前者放热多；C. C(石墨)+CO2(g)=2CO(g) ΔH=ΔH1-ΔH2；D.化学反应的ΔH，只与反应体系的始态和终态有关，与反应途径无关。

【解析】石墨燃烧的ΔH1=-393.5 kJ·mol-1，为放热反应，故A选项正确；由图示，1 mol C(石墨)和 1 mol CO分别在足量O2中燃烧，H依次为 -393.5 kJ·mol-1和 -283.0 kJ·mol-1，所以前者放热多，故B选项正确；由盖斯定律可推得C(石墨)+CO2(g)=2CO(g) ΔH=ΔH1-2·ΔH2，所以C选项错误；D选项是盖斯定律的具体内涵，故正确。

例9(2019年海南卷)根据下图中的能量关系，可求得C—H的键能为( )

A.414 kJ·mol-1；B.377 kJ·mol-1；C.235 kJ·mol-1；D.197 kJ·mol-1。

【解析】根据题图可知 1 mol CH4(g)分解变成 1 mol C(g)和 4 mol H(g)，共吸收的能量是(75+717+864)kJ=1656 kJ，则C—H键的键能为 1656 kJ÷4 mol=414 kJmol-1，故选A。

7 溶液配制过程中的变化和守恒关系

变化：物质的聚集状态发生变化，有的甚至与水发生反应；守恒：溶质质量在配制成溶液前后相等，或同种物质在同一温度下的饱和溶液，浓度相等。

例10 已知 20 ℃ 时，CuSO4饱和溶液的溶质质量分数为17.2%。现向 20 ℃ 时的 100 g CuSO4饱和溶液中加入 3.20 g CuSO4(s)，求足够长时间后析出CuSO4·5H2O的质量。

8 结语

变化观念与平衡思想的关键在于变化与平衡，能认识到物质是不断运动、变化的，能根据物质结构以及元素化合物的知识，具体准确地分析出各个具体的化学变化中所发生的的“变化”的具体内容，同时能用对立统一、动态平衡的观点深刻地分析变化和变化中存在的平衡关系，这样才能达到化学学科核心素养中之“变化观念与平衡思想”的要求。