建立解題模板，突破化學(xué)平衡圖像難點(diǎn)問題

陜西 王志剛

在近年高三化學(xué)復(fù)習(xí)備考中，依據(jù)平衡圖像進(jìn)行的判斷與計(jì)算，是眾多高三學(xué)生望而生畏的一類考題。學(xué)生遇到此類問題時(shí)，要么不得要領(lǐng)，失分率極高，要么直接放棄。此類問題已儼然成為高三化學(xué)復(fù)習(xí)備考道路上的“攔路虎”，迫切需要突破與解決。筆者在教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，對(duì)于此類問題，應(yīng)仔細(xì)琢磨，精心研究，找到問題突破口，以點(diǎn)帶面，逐步突破。

一、精心研究，找準(zhǔn)考題難點(diǎn)

【例1】(2022·九師聯(lián)盟質(zhì)量檢測(cè)理綜·28題節(jié)選)我國(guó)科學(xué)家合成高選擇性光催化劑，在溫和條件下利用CO2合成CH3CHO

ΔH1=-170 kJ·mol-1

回答下列問題。

該反應(yīng)的平衡常數(shù)K與k正、k逆的關(guān)系是________。k正、k逆的負(fù)對(duì)數(shù)用pk表示，與溫度(T)關(guān)系如圖1所示。其中代表pk正與T關(guān)系的直線是________(填標(biāo)號(hào))，判斷理由是

。

圖1

(4)一定溫度下，在剛性密閉容器中充入1 mol CO2和xmol H2，僅發(fā)生反應(yīng)1，測(cè)得平衡體系中CH3CHO的體積分?jǐn)?shù)(φ)與x關(guān)系如圖2所示。在e、f、g、h4點(diǎn)中，CO2轉(zhuǎn)化率最高的點(diǎn)是________(填字母)，f點(diǎn)對(duì)應(yīng)體系中H、O原子個(gè)數(shù)比接近________。

圖2

(5)一定溫度下，在剛性密閉容器中充入2 mol CO2和5 mol H2，發(fā)生反應(yīng)1和2，達(dá)到平衡時(shí)CH3CHO的選擇性為80%，CO2的平衡轉(zhuǎn)化率為45%，總壓強(qiáng)為560 kPa。反應(yīng)1的平衡常數(shù)Kp=________(只列計(jì)算式，不帶單位)。

Kp為分壓計(jì)算的平衡常數(shù)，分壓=總壓×物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)。

【參考答案及解析】本題給定了一對(duì)競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)，考查學(xué)生的數(shù)學(xué)分析能力和計(jì)算能力。解題時(shí)需要結(jié)合圖像，系統(tǒng)分析，詳細(xì)計(jì)算。

(4)隨著H2投料量的增加，另一種反應(yīng)物CO2的轉(zhuǎn)化率增大，CO2轉(zhuǎn)化率最高的點(diǎn)是h。f點(diǎn)的平衡體系中CH3CHO的體積分?jǐn)?shù)最大，則投料比為反應(yīng)1的系數(shù)比[n(CO2)∶n(H2)=2∶5]，故該點(diǎn)H、O原子個(gè)數(shù)比接近5∶2。

(5)中，需要對(duì)2個(gè)競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)研究，方法如下：

反應(yīng)1中

-0.8 mol -2 mol +0.4 mol +1.2 mol

反應(yīng)2中

-0.1 mol -0.4 mol +0.1 mol +0.2 mol

平衡時(shí)，剛性容器中平衡總壓為560 kPa，

CO2(g) H2(g) CH3CHO(g) H2O(g) CH4(g)

平衡量： 1.1 mol 2.6 mol 0.4 mol 1.4 mol 0.1 mol

物質(zhì)分壓： 110 kPa 260 kPa 40 kPa 140 kPa 10 kPa

通過考題剖析可以發(fā)現(xiàn)，本題主要考查以下幾點(diǎn)：

(1)平衡圖像中特殊點(diǎn)的含義；

(2)結(jié)合平衡圖像或方程式解釋問題；

(3)連續(xù)或競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)中平衡常數(shù)(K)的計(jì)算。

這些問題是解題的難點(diǎn)也是考查的熱點(diǎn)，教師在備課及上課時(shí)需要引導(dǎo)學(xué)生深入研究、用心思考、細(xì)心計(jì)算，然后建立解題模板，幫助學(xué)生掌握解題方法。

二、針對(duì)難點(diǎn)，建立解題模板

【例2】(2022·西安市長(zhǎng)安區(qū)高三第2次質(zhì)量檢測(cè)理綜·28節(jié)選)一碘甲烷(CH3I)熱裂解可制取乙烯等低碳烯烴。

(1)一碘甲烷(CH3I)熱裂解時(shí)主要反應(yīng)有

圖3

①當(dāng)體系溫度高于600 K時(shí)，乙烯的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)隨溫度升高而顯著增加的可能原因是

；

②若維持體系溫度為715 K，CH3I(g)的平衡轉(zhuǎn)化率為________，反應(yīng)Ⅰ以物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)表示的平衡常數(shù)Kx=________。

【參考答案及解析】要準(zhǔn)確解答①的問題，首先要明確C2H4的來源有三處，即反應(yīng)Ⅰ正向移動(dòng)生成C2H4，反應(yīng)Ⅱ、Ⅲ逆向移動(dòng)生成C2H4。ΔH1>0(吸熱)，ΔH2<0(放熱)，ΔH3<0(放熱)，T>600 K時(shí)，反應(yīng)Ⅰ正向移動(dòng)生成C2H4，反應(yīng)Ⅱ、Ⅲ逆向移動(dòng)生成C2H4，故C2H4物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)隨溫度的升高而顯著增加；

要做好②的平衡計(jì)算問題，準(zhǔn)確分析圖像中“特殊點(diǎn)”(一般為“最高點(diǎn)”“最低點(diǎn)”“交點(diǎn)”“始點(diǎn)”“終點(diǎn)”“轉(zhuǎn)折點(diǎn)”等)是有效的解題手段，“三段式”計(jì)算是方法，按步驟計(jì)算是操作。

CH3I C2H4HI C3H6C4H8

開始 100% 0 0 0 0

變化 4% 64% 8% 8%

平衡 16% 4% 64% 8% 8%

CH3I(g)平衡轉(zhuǎn)化率(通過碳原子守恒，均折算成CH3I進(jìn)行計(jì)算)：

通過研究可以發(fā)現(xiàn)，解決此題的難點(diǎn)為以下幾點(diǎn)：

難點(diǎn)1 平衡圖像中，特殊點(diǎn)的尋找

(1)難點(diǎn)在于復(fù)雜圖像，尤其是復(fù)合圖像中，學(xué)生不能準(zhǔn)確找出圖中的關(guān)鍵點(diǎn)；

(2)突破辦法：觀察圖像，用心研究“最高點(diǎn)”“最低點(diǎn)”“交點(diǎn)”“始點(diǎn)”“終點(diǎn)”“轉(zhuǎn)折點(diǎn)”等特殊點(diǎn)的含義。

如本題中，715 K時(shí)，C2H4物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為4%，C3H6、C4H8物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)曲線相交(8%)點(diǎn)就是解題的特殊點(diǎn)。在分析平衡圖像時(shí)，需要對(duì)這些特殊點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)研究。

難點(diǎn)2 結(jié)合平衡圖像，闡述原因

(1)難點(diǎn)在于學(xué)生答題時(shí)不得要領(lǐng)，不能抓住問題的核心與關(guān)鍵；

(2)突破辦法：細(xì)心分析圖像信息，研究反應(yīng)特征，按點(diǎn)作答。

如本題中，“當(dāng)體系溫度高于600 K時(shí)，乙烯的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)隨溫度升高而顯著增加的原因”問題。分析題目時(shí)，圖像展現(xiàn)的是乙烯物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)隨溫度變化的直觀結(jié)果，乙烯生成或消耗的反應(yīng)特征是答題的切入點(diǎn)，按照溫度升高，反應(yīng)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的平衡移動(dòng)方向作答，可以輕松突破難點(diǎn)。

難點(diǎn)3 連續(xù)或競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)中，平衡常數(shù)的計(jì)算

(1)難點(diǎn)在于連續(xù)或競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)中，反應(yīng)相互干擾，學(xué)生計(jì)算時(shí)不得要領(lǐng)；

(2)突破辦法：活用“三段式”法，列出所有反應(yīng)物與生成物，逐一計(jì)算。

如在本題中，“以物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)表示平衡常數(shù)Kx”問題。解題時(shí)運(yùn)用“三段式”法，列出反應(yīng)涉及的5種物質(zhì)CH3I、C2H4、HI、C3H6、C4H8，逐一計(jì)算出各物質(zhì)平衡時(shí)的含量。解題時(shí)分解難點(diǎn)、逐一求解，即可順利算出結(jié)果。

三、運(yùn)用模板，做好高考真題

【例3】(2022·全國(guó)乙卷·28節(jié)選)油氣開采、石油化工、煤化工等行業(yè)廢氣普遍含有的硫化氫，需要回收處理并加以利用，回答下列問題：

(4)在1 373 K、100 kPa反應(yīng)條件下，對(duì)于n(H2S)∶n(Ar)分別為4∶1、1∶1、1∶4、1∶9、1∶19的H2S-Ar混合氣，熱分解過程中H2S轉(zhuǎn)化率隨時(shí)間的變化如圖4所示。

圖4

①n(H2S)∶n(Ar)越小，H2S平衡轉(zhuǎn)化率________，理由是

；

②n(H2S)∶n(Ar)=1∶9對(duì)應(yīng)圖中曲線________，計(jì)算其在0～0.1 s之間，H2S分壓的平均變化率為________kPa·s-1。

【參考答案及解析】由H2S熱分解反應(yīng)方程可以推知，n(H2S)∶n(Ar)越小，H2S的轉(zhuǎn)化率越高。理由是若H2S含量越小，H2S的分壓就越小，則化學(xué)平衡就會(huì)向氣體體積增大(正向)方向移動(dòng)，因而H2S平衡轉(zhuǎn)化率就越高；

由于n(H2S)∶n(Ar)越小，H2S的轉(zhuǎn)化率越高，則曲線a、b、c、d、e分別對(duì)應(yīng)的是4∶1、1∶1、1∶4、1∶9、1∶19時(shí)的曲線，故n(H2S)∶n(Ar)=1∶9對(duì)應(yīng)的曲線為d曲線。

最后一步計(jì)算是本題的難點(diǎn)與精華部分。計(jì)算之前，需要明確兩個(gè)問題：一是H2S熱分解是在恒壓裝置中進(jìn)行的；二是“H2S分壓的平均變化率”就相當(dāng)于是H2S的平均反應(yīng)速率。剩下的步驟則是找準(zhǔn)“特殊點(diǎn)”，按照“三段式”法進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算。

取10 mol混合氣體，

因?yàn)閚(H2S)∶n(Ar)=1∶9，

所以n(H2S)=1 mol。

由圖4可知，當(dāng)反應(yīng)到0.1 s時(shí)，a(H2S)=24%。

開始 1 mol 0 0

變化 0.24 mol 0.24 mol 0.12 mol

0.1 s 0.76 mol 0.24 mol 0.12 mol

反應(yīng)到0.1 s時(shí)，n(總)=10.12 mol

通過鞏固練習(xí)還發(fā)現(xiàn)，答題時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

(1)平衡圖像中，特殊點(diǎn)的尋找也是處于變化之中的。如本題中，通過C2H4、C3H6、C4H8選擇性最高點(diǎn)的對(duì)應(yīng)溫度，回答“短鏈烯烴(n≤4)生成的溫度范圍”問題，需要靈活找點(diǎn)。

(2)平衡簡(jiǎn)答題，分點(diǎn)回答最科學(xué)。如在閱卷中，針對(duì)簡(jiǎn)答題的描述，教師就是找出得分點(diǎn)，按點(diǎn)得分。按點(diǎn)答題，實(shí)則也是考生思維嚴(yán)謹(jǐn)性的體現(xiàn)。

(3)平衡常數(shù)計(jì)算，“三段式”法的確是一個(gè)好的解題方法。如在考試中，面對(duì)較大量的考題時(shí)，學(xué)生運(yùn)用“三段式法”，可以快速理清數(shù)據(jù)關(guān)系，求出結(jié)果，能起到穩(wěn)定學(xué)生考試情緒的作用。