構建認知模型 提升解題能力
——以化學平衡圖像試題為例

■鄭州外國語學校 宋正華 韓 青 陳 寧

化學反應平衡理論是中學化學三大化學原理之一,化學平衡是考查數形結合思想的重要載體。化學平衡圖像中的物質百分含量—時間圖像、物質百分含量-溫度/壓強圖像和速率—溫度/壓強圖像等知識對遷移能力要求較高。本文以化學平衡圖像試題為例構建相關模型,來幫助同學們提升自主解決問題的能力。

一、模型認知與模型構建

1.物質百分含量/轉化率—時間的變化(如圖1所示,C%代表生成物的百分含量)。

圖1

此類題目解題的關鍵:先拐先平衡,反應速率快(即加入催化劑、反應溫度較高或壓強較大等影響反應速率的因素)。圖1①a比b先平衡,且平衡時C%不變,說明平衡不移動,由此改變的條件是a中加入催化劑或者反應前后氣體分子數相同的反應增大壓強。由圖1②可得出溫度T2＞T1,且T2時生成物的百分含量高于T1時生成物的百分含量,由此說明正反應ΔH＞0。由圖1③可得出p1＞p2,p1時生成物的百分含量高于p2時生成物的百分含量,所以反應前氣體計量系數之和大于反應后氣體計量系數之和。該類題目亦可逆向思維,即給出信息畫相應圖像。

圖1中三個圖像的共同特點:橫坐標為時間,縱坐標是生成物的百分含量,通過圖像拐點的橫、縱坐標大小比較,得出反應速率的快慢,依據外界因素對反應速率的影響原理,判斷同一圖像中外界條件的差異(溫度的相對高低、壓強的相對大小),進而判斷反應的熱效應和反應前后氣體分子數的變化情況等。縱坐標為原料轉化率或某物種濃度的分析與其相似。

例1已知可逆反應aA(g)+bB(g)cC(g) ΔH,在密閉容器中進行。圖2表示在不同時刻t、溫度T和壓強p下B物質在混合氣體中的體積分數φ(B)的變化情況。下列推斷中正確的是( )。

圖2

A.p1＜p2,T1＞T2,a+b＜c,ΔH＞0

B.p1＜p2,T1＞T2,a+b＞c,ΔH＞0

C.p1＞p2,T1＜T2,a+b＜c,ΔH＜0

D.p1＞p2,T1＜T2,a+b＞c,ΔH＜0

解析:當圖中有三個變量時,運用控制變量,將圖中曲線分成兩個對照組:(T1、p1)和(T1、p2),(T1、p1)和(T2、p1)。解答該題運用“定一議一”和“先拐先平衡”的原則。

由(T1、p1)和(T1、p2)兩條曲線可以看出:①溫度相同(T1),壓強為p2時達到平衡所需的時間短,即反應速率大,所以p2＞p1;②壓強較大(即壓強為p2)時對應的φ(B)較大,說明增大壓強平衡逆向移動,則a+b＜c。

由(T1、p1)和(T2、p1)兩條曲線可以看出:①壓強相同(p1),溫度為T1時達到平衡所需的時間短,即反應速率大,所以T1＞T2;②溫度較高(即溫度為T1)時對應的φ(B)較小,說明升高溫度平衡正向移動,故正反應為吸熱反應,ΔH＞0。

答案:A

2.速率—溫度/壓強(v-T/p)圖像(如圖3所示)。

圖3

此類曲線表示隨著時間變化壓強或溫度逐漸增大(高),正逆反應速率受濃度和壓強或溫度的雙重影響,圖中隱去了時間坐標。正逆反應速率交點,即二者相等,表明反應處于平衡狀態;交點之后判斷增大壓強或升高溫度后平衡的移動方向。如圖3所示,隨著壓強的增大,正、逆反應速率均增大,且逆反應速率增大的幅度大于正反應速率增大的幅度,即v逆＞v正,平衡逆向移動,說明正反應方向為氣體分子數目增大的方向;隨著溫度的升高,正、逆反應速率均增大,且逆反應速率增大的幅度大于正反應速率增大的幅度,即v逆＞v正,平衡逆向移動,說明正反應為放熱反應。

例2在密閉容器里通入A、B兩種氣體,發生可逆反應A(g)+2B(g)mC(g)+nD(g)。在一定條件下測得反應速率變化情況如圖4所示,下列說法正確的是( )。

圖4

A.正反應吸熱,m+n＜3

B.正反應吸熱,m+n＞3

C.正反應放熱,m+n＞3

D.正反應放熱,m+n＜3

解析:對于v-T圖像,隨著溫度升高,v(正)＞v(逆),說明正反應方向是吸熱反應;對于v-p圖像,隨著壓強增大,v(逆)＞v(正),說明正反應方向是氣體分子總數增大的方向,m+n＞3。

答案:B

3.恒溫線或恒壓線(如圖5所示,C%為生成物的百分含量)。

圖5

在分析此類變化時,需要控制變量。首先分析一條曲線中縱坐標隨橫坐標的變化,得出一條結論,然后再確定橫坐標相同時,不同曲線間的縱坐標大小關系,繼而得到第二條結論。

例3可逆反應mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g),圖6表示其生成物C的百分含量(C%)與壓強、溫度的關系,分析圖中曲線,可以得出的結論是( )。

圖6

A.正反應吸熱,m+n＜p+q

B.正反應吸熱,m+n＞p+q

C.正反應放熱,m+n＞p+q

D.正反應放熱,m+n＜p+q

解析:首先判斷曲線的整體變化趨勢,隨著溫度的增加,C%增大,說明正反應吸熱。其次,判斷溫度相同時,增大壓強C%增大,說明平衡向正反應方向移動,即正反應方向是氣體分子總數減小的方向,即m+n＞p+q。

答案:B

二、模型應用

盡管高考中化學平衡圖像形式多種多樣,然而知識與能力要求保持相對穩定,需要做到對圖像基本模型的遷移和綜合應用。

1.有最值的圖像。

例4在容積相同的五個恒容密閉容器中,分別充入1 mol N2和3 mol H2,在不同的恒定溫度下,均發生反應N2(g)+3H2(g)2NH3(g),并在t1秒時分別測定五個容器中NH3的體積分數,結果如圖7所示。

圖7

A、B、C、D、E五點中達到平衡狀態的點為____。

解析:由圖像可知正反應為放熱反應。最高點C在中間,A點和B點因為溫度低、反應速率慢沒有達到平衡狀態;C點比A點和B點接近平衡狀態,因只做了幾組實驗,測溫不連續,因此無法確定C點是否處于平衡狀態;D、E兩點溫度高、反應速率快,且NH3的體積分數與C相比下降了,符合溫度高的先拐先平衡。所以D、E確定是平衡狀態。按照前文所述的模型建構方法可畫出圖8,結論更加一目了然。

圖8

答案:D、E

例5將1 mol N2和3 mol H2通入恒容密閉容器中,發生反應N2(g)+3H2(g)2NH3(g),在反應過程中NH3的體積分數隨溫度的變化如圖9所示。

圖9

A、B、C、D、E五點中達到平衡狀態的點為____。

解析:按照前面的模型構建方法,不難得出五點中只有C點為平衡狀態。

答案:C點

2.多反應共存的恒溫/恒壓線圖像綜合應用。

例6以CO2、H2為原料合成CH3OH涉及的主要反應如下:

①CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) ΔH1=-49.5 kJ·mol-1;

②CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)ΔH2=-90.4 kJ·mol-1;

③CO2(g)+H2(gCO(g)+H2O(g)ΔH3=+40.9 kJ·mol-1。

不同壓強下,按照n(CO2)∶n(H2)=1∶3投料,實驗測定CO2的平衡轉化率和CH3OH的平衡產率隨溫度的變化關系如圖10所示。

圖10

其中縱坐標表示CO2平衡轉化率的是圖_____(填“甲”或“乙”);壓強p1、p2、p3由大到小的順序為_____;圖乙中T1溫度時,三條曲線幾乎交于一點的原因是_____。

解析:合成CH3OH的兩個反應均為放熱反應,故隨著溫度升高,CH3OH的平衡產率單調降低,便可得出圖甲表示CH3OH的平衡產率;固定溫度,改變壓強,壓強越大,甲醇的平衡產率越大,所以圖乙表示CO2的平衡轉化率變化,CO2參與的反應一個為吸熱反應,一個為放熱反應,CO2的平衡轉化率隨溫度變化不是單調的,說明不同反應階段起主導作用的反應不同,圖像顯示初始階段CO2的平衡轉化率隨溫度升高而降低,說明反應①占主導,后來隨溫度升高CO2的平衡轉化率又升高,只有反應③吸熱,說明反應③占主導,且反應前后氣體分子數相等,所以三條曲線會交于一點。

答案:乙 p1＞p2＞p3T1時以反應③為主,反應③前后氣體分子數相等,壓強改變對平衡沒有影響。

點撥:將化學平衡抽象理論知識圖像化,圖像新穎信息量大,考查綜合能力強,既考查考生對化學平衡基礎知識的理解,又考查考生讀題識圖能力。引導考生學會常規模型,并將常規模型應用到新情境新信息的題目中,提高考生真實解決問題的能力,在學習的過程中收獲知識并形成化學學科核心素養。

練習:

1.在密閉容器中充入10 mol CO和8 mol NO,發生反應2CO(g)+2NO(g)N2(g)+2CO2(g) ΔH=-747 kJ·mol-1。圖11為平衡時NO的體積分數與溫度、壓強的關系。若在M點對反應容器降溫,同時縮小體積至體系壓強增大,重新達到的化學平衡狀態可能是圖中 A～F 點中的( )。

圖11

A.A點 B.D點

C.C點 D.F點

2.在一定條件下CO(g)和H2(g)發生反應CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)。在容積固定且均為1 L的a、b、c三個密閉容器中分別充入1 mol CO(g)和2 mol H2(g),三個容器的反應溫度分別為T1、T2、T3(依次升高)且恒定不變,測得反應均進行 到5 min時CH3OH(g)的濃度如圖12所示。下列說法正確的是( )。

圖12

A.a容器中,0～5 min時平均反應速率v(H2)=0.04 mol·L-1·min-1

B.反應均進行到5 min時,三個容器中一定達到化學平衡狀態的是b

C.當三個容器內的反應都達到化學平衡時,CO轉化率最大的是a

D.保持溫度和容積不變,若開始時向b容器中充入0.6 mol CO(g)、1.2 mol H2(g)和0.4 mol CH3OH(g),則反應開始時v(正)＜v(逆)

答案:1.D 2.C

注:本文為河南省基礎教育教學研究項目“基于模型認知核心素養的高中化學深度學習研究”(課題編號:JCJYC210701044)階段性研究成果之一。