化學反應速率與化學平衡易錯題方法解析

■北京十一學校 余彩芳(博士)

化學反應速率與化學平衡易錯題方法解析

■北京十一學校 余彩芳(博士)

化學反應速率與化學平衡知識對發散性思維要求較高,也是學習電離平衡和溶解平衡必備的知識,內容抽象,出題方式靈活多樣,對考生思維理解的變異及想象能力的考查較為全面,是考生不容易攻破的難點和易錯點。現以2017年高考選擇題中出現的化學反應速率與化學平衡有關考點為例,對常見題型的分析方法和易錯點歸納如下。

一、化學反應速率與化學平衡有關圖像問題的考查

與元素及其化合物知識的學習不同,化學反應速率與化學平衡這部分知識缺乏具體的知識載體,對抽象思維要求較高。而平衡圖像則是把這些抽象的內容形象化的過程,要求同學們能夠對這些抽象內容進行再加工,把概念、原理和技能融為一體,從而幫助同學們形成完整的知識體系。這部分內容的易錯點主要是對橫、縱坐標的認識不夠,對圖像中判斷化學速率大小以及是否達到化學平衡的標志理解不夠深刻。

例1H2O2分解速率受多種因素影響。實驗測得70℃時不同條件下H2O2濃度隨時間的變化如圖1所示。下列說法正確的是( )。

圖1

A.圖甲表明,其他條件相同時,H2O2濃度越小,其分解速率越快

B.圖乙表明,其他條件相同時,溶液pH越小,H2O2分解速率越快

C.圖丙表明,少量 Mn2+存在時,溶液堿性越強,H2O2分解速率越快

D.圖丙和圖丁表明,堿性溶液中,Mn2+對H2O2分解速率的影響大

解析：題目中所涉及的四個圖像均是速率與平衡常見圖像中典型的“濃度—時間”圖,從選項考查的內容來看,主要考查考生對影響速率的各種因素的理解以及分析圖像的能力。分析圖像問題時,首先要分清橫、縱坐標軸的物理量及單位,進而思考這兩個物理量之間的關系。從選項的設置看,這道題都是考查不同條件下速率的變化關系。根據速率公式,在“濃度—時間”圖里,判斷速率大小的標志就是相同時間內濃度變化的多少,在圖像問題的考查中屬于簡單題。

選項A,根據影響速率的因素中,反應物濃度越大,化學反應的速率越快,可得知A錯誤;同時也可結合圖像得到進一步驗證,三個不同濃度下的曲線下降快慢不一,在相同時間內,曲線下降越快的,反應越快。

選項B,三條曲線的起始濃度一致,取相同時間內,誰的終點濃度最小,則變化最大,速率越快。依據圖像知是0.1 mol·L-1NaOH溶液的速率最快,即溶液pH越大,H2O2分解速率越快,故B錯誤。

選項C,三條曲線中,0.1 mol·L-1NaOH溶液的速率最快,而0 mol·L-1NaOH溶液的速率最慢,1.0 mol·L-1NaOH時速率居中,與溶液pH沒有明顯相關性,故C錯誤。

選項D,三條曲線起始濃度相同,Mn2+濃度越大,相同時間內濃度減少越快,故D正確。

答案：D

二、利用化學平衡常數解決相同溫度下的不同平衡

化學平衡常數是解釋化學平衡移動原理的重要工具。化學平衡移動原理描述為“如果改變影響平衡的一個條件(濃度、壓強、溫度),平衡就向能夠減弱這種改變的方向移動”,如何理解“減弱”這兩個字是一直以來考查的重點和難點。溫度的影響相對好理解,但濃度、壓強的影響就很難講解清楚,即使借助一些演示實驗也很難讓同學感受減弱的現象。此時,適當地運用平衡常數則可以幫助同學們更好地理解化學平衡移動原理。尤其對于一些條件改變復雜的不同平衡間關系的尋找很有用。這部分內容的易錯點主要在于計算上的失誤,對平衡三段式計算規則的不熟悉。

例2溫度為T1時,在三個容積均為1L的恒容密閉容器中僅發生反應：2NO2(g)2NO(g)+O2(g)(正反應吸熱)。實驗測得：v正=v(NO2)消耗=k正c2(NO2),v逆=v(NO)消耗=2v(O2)消耗=k逆c2(NO)·c(O2),k正、k逆為速率常數,受溫度影響。有關數據如表1。

表1

下列說法正確的是( )。

A.達平衡時,容器Ⅰ與容器Ⅱ中的總壓強之比為4∶5

C.達平衡時,容器Ⅲ中NO的體積分數大于50%

D.當溫度改變為T2時,若k正=k逆,則T2＞T1

解析：這道題引入了速率平衡常數的概念,在原有對化學平衡常數的認知基礎上,考生可以進行知識遷移,算高考選擇題中的難題。

拿到這樣一個表格,看到容器Ⅰ的起始濃度和平衡濃度均是已知,三個容器均是相同溫度下的反應,所以首先想到要依據容器Ⅰ的各項數據計算該溫度下的平衡常數,可用平衡三段式的模式解決。

根據表格所給,x=0.2,則三物質的平衡濃度分別為0.2mol·L-1、0.4 mol·L-1、0.2mol·L-1,平衡常數K=0.8。接下來可依據平衡常數分析解題。

選項A,計算容器Ⅰ和Ⅱ的總壓強之比,即為濃度之比。容器Ⅰ平衡時各物質的總濃度和為0.8mol·L-1。計算容器Ⅱ中的平衡濃度時還需要注意先判斷平衡移動的方向,因為這是一個初始狀態里三個物質均有的情況,可根據Q和K的大小來判斷。計算出,平衡正向移動。現在容器Ⅱ中各物質的濃度和為1.0mol·L-1,這是一個反應系數增大的反應,故平衡時各物質的濃度總和必然大于1.0mol·L-1,所以壓強之比小于4∶5,A錯。這個選項很多同學習慣按照平衡三段式來計算容器Ⅱ中平衡時各物質的濃度,方法上可行,但是計算起來非常復雜,需要解一個一元三次方程,很費時間。這時候要想到利用比較的關系來分析。

選項C,達平衡時,以容器中NO的體積分數判斷,也可以容器Ⅰ為參照,容器Ⅰ平衡時NO的體積分數為。根據等效平衡的分析方法,容器Ⅲ中的平衡可以等效于初始濃度分別為0.5 mol·L-1NO2和0.1mol·L-1O2建立的平衡,在這個等效平衡中,比容器Ⅰ中初始的NO2濃度低而O2濃度高,所以最終平衡的建立要在容器Ⅰ的基礎上正向移動,則NO濃度要比容器Ⅰ低,所以最終容器Ⅲ中NO的體積分數小于容器Ⅰ,即小于50%。C錯。

選項D,當溫度改變為T2時,若k正=k逆,,且平衡時v正=v逆,根據題目所給v正=k正c2(NO2),v逆=k逆c2(NO)·c(O2),得到K=1＞0.8(T1下的平衡常數),故從T1到T2,平衡正向移動。又根據正反應吸熱,T2是高溫,則T2＞T1,選項D正確。

答案：D

2017年所有的高考選擇題中,與速率平衡相關考點的內容實際考查的不多,甚至有部分考卷在選擇題中完全沒有出現這部分內容,但是這部分內容深深滲透在大題考查中,本文所涉及的選擇題的分析方法與大題的解析是相通的。大題的考查也常以圖像和平衡常數為重點內容,這部分內容可以說是平衡與速率專題考查的熱點和難點。

(責任編輯 謝啟剛)

余彩芳,畢業于北京大學,博士,高級教師。從教六年,連續四年擔任畢業班化學教學,承擔和參與多項課題,是北京市“十二五”一般課題和同名海淀區“十二五”重點課題負責人。