對2019年高考全國卷Ⅰ理綜28題的深度分析與教學啟示

湖南

一、研究背景

2019年高考試題以學科素養為抓手，將核心價值、學科素養、關鍵能力和必備知識等考查內容有機結合，注重基礎性、綜合性、應用性和創新性的考查。通過創設具有探索性的問題情境，加大對核心素養考查的力度，有利于發揮高考選材功能，強化教學核心素養導向。全國卷Ⅰ理綜28題，素材新穎、情境真實，凸顯了對學科素養的考查，堪稱試題典范。部分教師覺得不易理解，故本文對此進行深度分析，希望對大家有所作用。

二、高考原題

(1)Shibata曾做過下列實驗：①使純H2緩慢地通過處于721℃下的過量氧化鈷CoO(s)，氧化鈷部分被還原為金屬鈷Co(s)，平衡后氣體中H2的物質的量分數為0.025 0。②在同一溫度下用CO還原CoO(s)，平衡后氣體中CO的物質的量分數為0.019 2。

根據上述實驗結果判斷，還原CoO(s)為Co(s)的傾向是CO________(填“大于”或“小于”)H2。

(2)721℃時，在密閉容器中將等物質的量的CO(g)和H2O(g)混合，采用適當的催化劑進行反應，則平衡時體系中H2的物質的量分數為________(填標號)。

A.<0.25 B.0.25 C.0.25～0.50 D.0.50 E.>0.50

(3)我國學者結合實驗與計算機模擬結果，研究了在金催化劑表面上水煤氣變換的反應歷程，如圖所示，其中吸附在金催化劑表面上的物種用*標注。

可知水煤氣變換的ΔH________(填“大于”“等于”或“小于”)0。該歷程中最大能壘(活化能)E正=________eV，寫出該步驟的化學方程式：________________。

(4)Shoichi研究了467℃、489℃時水煤氣變換中CO和H2分壓隨時間變化關系(如圖所示)，催化劑為氧化鐵，實驗初始時體系中的pH2O和pCO相等、pCO2和pH2相等。

三、詳細分析

物質的量分數x平衡0.025 0 1-0.025 0=0.975

[上式中n平衡=平衡時n(H2O)+n(H2)]

可見，對于反應前后氣體物質的量相等的可逆反應，可用平衡時各氣體組分的物質的量分數(或物質的量)代替其平衡濃度直接計算濃度平衡常數Kc。據此求下列反應的Kc：

物質的量分數x平衡0.019 2 1-0.019 2=0.980 8

這兩個平衡常數的數值，就是該物質還原CoO能力大小的一個“標尺”。顯然Kc2>Kc1，即還原CoO(s)為Co(s)的傾向為CO大于H2，或者說721℃下，CO奪取氧的能力大于H2。

雖然高中課本未涉及分壓平衡常數Kp，但從2014年開始，高考全國卷中就開始以提供信息的方式考查Kp。那么，能否用Kp比較？Kp與Kc又有何關系？現以Kp1為例推斷如下：

(上式中p平衡=平衡時pH2O+pH2)

可見，對于反應前后氣體物質的量相等的可逆反應，相同溫度下，Kp=Kc。即

上述比較Kc2與Kc1大小的過程也可以改為比較Kp2和Kp1大小的過程。另外，上述結論在后面第(2)、(4)問的解決過程中也可以運用，進而加強學生對分壓平衡常數的理解，減少他們的陌生感。

分析方法②：根據多重平衡原理分析，

由②-①得：

在此基礎上，可引導學生用不同思路推斷平衡時H2的物質的量分數范圍。

解法一：假設法

由于該小問是一個選擇性判斷，學生可充分利用選項中提供的數據，用假設法快速判斷。

若H2的物質的量分數為0.25，則根據題意可知：

物質的量分數x起始0.50 0.50 0 0

物質的量分數x某時刻0.25 0.25 0.25 0.25

若H2的物質的量分數為0.50，根據反應的化學方程式可知，CO2的物質的量分數亦為0.50，即反應物的轉化率達100%，與該反應為典型的可逆反應這一事實不符，即平衡時H2的物質的量分數必然小于0.50。綜上所述，平衡時H2的物質的量分數范圍為0.25～0.50。

解法二：不等式法

學生也可直接利用該反應在721℃時的Kp3>1進行正向思維計算判斷。

設721℃時該反應達平衡時H2的物質的量分數為x，物質的量分數之比=物質的量之比，故可將物質的量分數直接代入方程式進行分析：

總之，由于河套問題的出現，在北部邊防沉重的軍事壓力之下，衛所制度趨于崩潰的同時，為有效抵御蒙古部落的入掠，募兵制和軍事家丁制度逐漸興起。但這也無異于飲鴆止渴，由此產生大量冗兵的軍費造成了政府財政的超負荷運轉，為明王朝的加速覆亡埋下了伏筆。

物質的量分數x起始0.50 0.50 0 0

物質的量分數x平衡0.50-x0.50-xxx

又由于可逆反應達平衡時反應物的轉化率小于100%，即平衡時各組分的物質的量分數均大于0，可知0.50-x>0，解得x<0.50。綜上所述，平衡時H2的物質的量分數范圍為0.25～0.50。

另外，課堂上當學生想一探究竟時，也要呵護學生的積極性。

解法三：常規法

物質的量分數x起始0.50 0.50 0 0

物質的量分數x平衡0.50-x0.50-xxx

在運用數學方法進行解方程、不等式或運用公式的過程中，要特別注意每個代數式、公式的化學含義及適用條件，只有這樣，才能更好地運用數學知識解決化學問題。

以上解法三中，根據確切的Kp3計算平衡時H2的物質的量分數增加了計算量，耗費了更多的時間?？梢姡谄綍r的課堂教學中選擇不同的思維方法，不僅能因材施教，照顧不同學生思維方式的差異性，同時還能培養學生思維的全面性、深刻性、靈活性；在考場上，針對不同的設問方式，學生才能用敏銳的眼光捕捉試題中所給的有效信息，快速作出判斷，優化解決問題的策略。

部分學生可能由于閱讀理解能力不夠強、基礎知識不夠扎實或意志品格不夠堅定，遇到難度較大的問題或看似“已知條件不夠”的問題，沒有深入思考與展示思維過程的好習慣，往往是粗粗瀏覽一下試題就有可能放棄。而通過引導學生進行上述的推導及分析，能使學生堅信，只要理解題意，善于把實際問題轉化為化學問題，大都可以化難為易。比如，平衡常數的推導計算，先寫出平衡常數的表達式，再順藤摸瓜，逐步找出試題中的已知條件，挖掘其中隱含條件，并關聯已有知識，敢于嘗試，將抽象的思維從內隱走向外顯，就可逐步找到思路，并進行深入推導，從而構建解決各類問題的一般思維模型；遇到具體問題時，又能靈活調整解題策略，從而在遇到困難時能樹立信心，進入“山重水復疑無路，柳暗花明又一村”的境界。

仔細分析該圖象，除了上文提到的反應要經歷兩個過渡態外，還可知其他信息：

①開始吸附階段：相對能量由0 eV降到-0.32 eV，為放熱過程。

②最后的脫附階段：相對能量由-0.83 eV升高到-0.72 eV，為吸熱過程。

③中間階段：相對能量分別由1.25 eV降到-0.16 eV，1.41 eV降到-0.83 eV，均為放熱過程，表觀活化能均小于0。

怎樣理解表現活化能小于0的反應過程呢？處于激發態的自由基，復合成分子時回到基態，會釋放出能量，使表觀活化能出現負值。

筆者對這個復雜反應歷程圖的理解是：在整個反應歷程中有4個基元反應，其中兩個反應涉及正活化能，兩個反應的活化能為零。

該問的設置拓寬了學生的認知視野，使學生認識到大多數化學反應并不是一步完成的，而是經過幾個基元反應分步完成的，催化反應更是如此，同時意識到影響反應速率因素的復雜性。

通過該問題的設置，使學生明白中學課本上反應速率的表達式是針對一般情況的，從而防止學生認識僵化。

由題知467℃、489℃水煤氣變換實驗的初始體系中pH2O和pCO相等、pCO2和pH2相等，為了讓起始條件更明朗，不妨進行下列題設：

p起始p1p1p2p2

p起始p3p3p4p4

在接下來的分析中，至關重要的一點是幫助學生理清對分壓-時間圖的正確理解。

學生可能存在的第一個困惑：p1是否等于p2？p3是否等于p4？p1是否等于p3？p2是否等于p4？讀圖可知t=0時縱坐標上出現了四個不同的pCO或pH2分壓，顯然p1≠p2≠p3≠p4。對上述已知條件的分析有助于提升學生理解能力，消除學生潛在的認知困惑。

學生可能存在的第二個困惑：為什么圖象中只畫出了兩種不同溫度下的pCO、pH2？因為兩種不同溫度下均有pCO=pH2O、pCO2=pH2，故兩種不同溫度下的pCO與pH2O必然重合，pCO2和pH2也必然重合，也就是說，每種溫度下，反應物和產物都只能取其中一種物質，圖象中總共4條分壓-時間曲線。

從前文計算及分析可知，721℃時，Kp3=Kc3>1，即pH2>pCO。

分析方法①：要判斷四條曲線分別對應哪種溫度下的pCO或pH2，最容易想到的是先判斷哪兩條曲線對應的是同一溫度下的反應。

讀圖可知30～90 min內：

a曲線：Δpa=4.08-3.80=0.28 kPa

b曲線：Δpb=3.64-3.30=0.34 kPa

c曲線：Δpc=2.21-1.87=0.34 kPa

d曲線：Δpd=1.49-1.21=0.28 kPa

因為Δpa=Δpd=0.28 kPa，Δpb=Δpc=0.34 kPa，由方程式中化學計量數的關系可知，a、d代表的是某相同溫度下pH2或pCO的變化曲線，b、c代表的是另一相同溫度下pH2或pCO的變化曲線。又由于pH2>pCO，可知a、b代表的是pH2，c、d代表的是pCO。該反應的ΔH<0，故其他條件不變時，降低溫度，平衡右移，即平衡時pH2(467℃)>pH2(489℃)、pCO(467℃)

學生可能存在的第三個困惑：算出四條曲線30～90 min 時的Δp后，為何不能認為Δp大的是對應較高溫度下的曲線？這種認識的根源在于只看到了溫度對反應速率的影響，忽視了壓強對反應速率的影響。因為同一溫度下反應中總壓始終不變，若選擇30 min時的數據進分析：467℃時，p總=3.30×2+2.21×2=11.02 kPa；489℃時，p總=1.21×2+4.08×2=10.58 kPa。溫度相對較低的，壓強相對較大；溫度相對較高的，壓強相對較小。其他條件不變時，對于該反應而言，溫度升高或壓強增大時反應速率均增大。該反應低溫時壓強大、高溫時壓強小，因此，只從溫度角度判斷反應速率是不正確的。

分析方法②：因為在同一溫度下反應的總壓始終不變，pCO+pH2為定值。曲線a、d在30 min時分壓之和為4.08+1.21=5.29 kPa，90 min時分壓之和為3.80+1.49=5.29 kPa，兩者相等；曲線b、c在30 min時分壓之和為3.30+2.21=5.51 kPa，90 min時分壓之和為3.64+1.87=5.51 kPa，兩者相等。說明曲線a、d對應同一溫度的反應數據，b、c對應另一溫度的反應數據，然后在此基礎上用解法一的后續思路得出正確結論。

由此，可以感受到命題專家高超的智慧，試題的呈現與設問方式充分尊重學生思維方式的差異性。

學生可能存在的第四個困惑：為什么467℃時CO的分壓減小、H2的分壓增大，即反應從正反應方向建立平衡；而489℃時H2的分壓減小、CO的分壓增大，即反應從逆反應方向建立平衡？

此時可引導學生讀圖，通過計算幫助學生解決困惑。

p起始/kPa 2.6 2.6 2.8 2.8

p平衡/kPa 1.5 1.5 3.9 3.9

顯然Qp

p起始/kPa 0.8 0.8 4.4 4.4

p平衡/kPa 1.6 1.6 3.6 3.6

(因起始時和平衡時的分壓較難讀準，此為近似值)

顯然Qp>Kp，反應從逆反應方向建立平衡，即pCO漸大、pH2漸小，直至反應達到平衡。

不難看出，第(4)問與第(1)(2)(3)問的設置緊密相關，只有將前三問的結論應用于第(4)問，才能推理出第(4)問，該問對思維的全面性、綜合性、深刻性和靈活性要求更高。在教學中，需合理利用試題，引導學生自己搭建思維臺階，逐步分析，解決問題。

另外，從圖象中還可看出，可逆反應達到平衡狀態所需的時間很長，啟示我們化工生產中不一定要追求化學平衡狀態。

四、試題評價

該題以水煤氣的變換為載體，要求學生在掌握反應原理的基礎上，根據實驗數據關系圖表、運用化學基本原理分析反應過程中的能量變化，判斷反應歷程和機理，推測溫度等因素對反應速率及化學平衡的影響。試題涉及氣體分壓、反應熱、活化能、反應速率、化學平衡常數等方面的知識。該題綜合性很強且難度較大，要求學生能結合試題新穎的設問方式，避開常規思維進行巧妙判斷與靈活計算。實驗結合計算機模擬圖象的題型不常見，試題設計新穎，分步設問、層層遞進、環環相扣、首尾呼應，構建了邏輯嚴謹的試題結構，具有很高的區分度。該題側重考查學生的理解能力、挖掘信息能力、數據分析能力、推理演繹能力、歸納總結能力、反思評價能力以及對已學知識進行關聯并熟練運用和遷移的能力，主要滲透了對“證據推理與模型認知”核心素養的考查，要求學生具有證據意識，能基于證據對物質組成、結構及其變化提出可能的假設，通過分析推理加以證實或證偽；建立觀點、結論和證據之間的邏輯關系。通過分析、推理等方法認識研究對象的本質特征、構成要素及其相互關系，建立認知模型，并能運用模型解釋化學現象，揭示現象的本質和規律。也滲透了對變化觀念和平衡思想的考查：能認識物質是運動和變化的，知道化學變化需要一定的條件，并遵循一定規律；認識化學變化的本質特征是有新物質生成，并伴有能量轉化；認識化學變化有一定限度的，是可以調控的；能從多角度、動態地分析化學變化。

第(3)問來源于我國化學工作者發表在頂級刊物Science的文章《沉積在α-MoC上單層金原子對水煤氣的低溫催化反應》，試題以文章中的單原子催化能量變化的理論計算模型為情境素材，讓學生認識、分析催化吸附機理及反應過程中的能量變化。通過擴大試題素材來源，減少學生反復刷題、機械訓練的情況，引導教師在實際教學中遵循教學規律，通過設置真實的問題情境、新穎的試題呈現方式，使“死記硬背”“機械刷題”“題海戰術”沒有市場，既提高試題的區分度，又引導教師注重學生從“解題”到“解決問題”的能力培養、從“做題”到“做人做事”的素養提升。同時試題中還呈現了我國科學家發表的世界領先的科技成果，增強了科技成就感和民族自豪感，激發學生的愛國熱情。

五、教學啟示