化繁為簡 學(xué)而后思
——對2022年山東卷第20題的評析與思考

董 梅 趙雪

(1.山東省泰山中學(xué) 2.山東省教育招生考試院)

在新高考中,素養(yǎng)立意下化學(xué)反應(yīng)原理試題越來越受到教師和學(xué)生的重視.在理解試題情境的基礎(chǔ)上,能夠迅速建構(gòu)模型、確立思維框架,并準(zhǔn)確獲取關(guān)鍵信息,利用變化觀念與平衡思想進(jìn)行信息加工與重組,進(jìn)而定性判斷與定量表達(dá)是解決化學(xué)反應(yīng)原理問題的一般思路與方法,而在建構(gòu)模型中化繁為簡,卻是理解和解決問題的關(guān)鍵.本文以2022年山東省普通高中學(xué)業(yè)水平等級考試第20題為例分析“化繁為簡”在模型構(gòu)建中的應(yīng)用.

1 原題呈現(xiàn)

題目利用γ-丁內(nèi)酯(BL)制備1,4-丁二醇(BD),反應(yīng)過程中伴有生成四氫呋喃(THF)和1-丁醇(BuOH)的副反應(yīng),涉及反應(yīng)如圖1所示.

圖1

已知:①反應(yīng)Ⅰ為快速平衡,可認(rèn)為不受慢反應(yīng)Ⅱ、Ⅲ的影響;②因反應(yīng)Ⅰ在高壓H2氛圍下進(jìn)行,故H2壓強(qiáng)近似等于總壓.回答下列問題:

(1)以5.0×10－3molBL 或BD 為初始原料,在493K、3.0×103kPa的高壓H2氛圍下,分別在恒壓容器中進(jìn)行反應(yīng).達(dá)平衡時,以BL 為原料,體系向環(huán)境放熱XkJ;以BD 為原料,體系從環(huán)境吸熱YkJ.忽略副反應(yīng)熱效應(yīng),反應(yīng)Ⅰ焓變ΔH(493K,3.0×103kPa)＝_________kJ·mol－1.

(2)初始條件同上.xi表示某物種i的物質(zhì)的量與除H2外其他各物種總物質(zhì)的量之比,xBL和xBD隨時間t變化關(guān)系如圖2所示.實(shí)驗(yàn)測得X＜Y,則圖中表示xBL變化的曲線是________;反應(yīng)Ⅰ平衡常數(shù)Kp＝________kPa－2(保留2 位有效數(shù)字).以BL 為原料時,t1時刻xH2O＝_________,BD 產(chǎn)率為_________(保留2位有效數(shù)字).

圖2

(3)(xBD/xBL)max為達(dá)平衡時xBD與xBL的比值.(493 K,2.5×103kPa)、(493 K,3.5×103kPa)、(513K,2.5×103kPa)這3種條件下,以5.0×10－3molBL為初始原料,在相同體積的剛性容器中發(fā)生反應(yīng),隨時間t變化關(guān)系如圖3所示.

圖3

因反應(yīng)在高壓H2氛圍下進(jìn)行,可忽略壓強(qiáng)對反應(yīng)速率的影響.

曲線a、b、c中,(xBD/xBL)max最大的是________(填代號);與曲線b相比,曲線c達(dá)到＝1.0所需時間更長,原因是________.

答案(1)－200(X＋Y).

(2)a、c;8.3×10－8;0.08;39%.

(3)c;由于b和c代表的溫度相同,而壓強(qiáng)對反應(yīng)速率的影響可忽略,壓強(qiáng)增大反應(yīng)Ⅱ、Ⅲ均是逆向移動,(xBD/xBL)max增大,曲線c達(dá)到＝1.0所需時間更長.

2 試題分析

2.1 素材選取分析

試題選取了“利用γ-丁內(nèi)酯(BL)制備1,4-丁二醇(BD)”真實(shí)生產(chǎn)過程作為背景材料,該生產(chǎn)工藝取自于《Chemical Engineering Progress》雜志.選取真實(shí)生產(chǎn)和化學(xué)前沿進(jìn)行多角度的原理分析與探究,是山東省普通高中學(xué)業(yè)水平等級考試原理試題的一貫風(fēng)格和顯著特點(diǎn).從素材選取角度看,試題展現(xiàn)的是真實(shí)的探究過程,符合《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》中所提出的“以真實(shí)情境為測試載體”的命題原則,體現(xiàn)了“重視開展高水平的實(shí)驗(yàn)探究活動”的教學(xué)導(dǎo)向,以引導(dǎo)高中化學(xué)教學(xué)中重視培養(yǎng)關(guān)鍵能力,助力提升學(xué)生的核心素養(yǎng).

高中化學(xué)課程中,要求學(xué)生能從化學(xué)反應(yīng)與能量、化學(xué)反應(yīng)的方向、限度和速率等方面探索化學(xué)反應(yīng)的規(guī)律和應(yīng)用,進(jìn)一步認(rèn)識化學(xué)變化所遵循的基本原理,初步形成關(guān)于物質(zhì)變化的科學(xué)觀念.能書寫平衡常數(shù)的表達(dá)式,能進(jìn)行平衡常數(shù)、轉(zhuǎn)化率的簡單計(jì)算,能運(yùn)用濃度、壓強(qiáng)、溫度等因素對化學(xué)平衡的影響規(guī)律,推測平衡移動方向及濃度、轉(zhuǎn)化率等相關(guān)物理量的變化.雖然學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中進(jìn)行了大量相關(guān)練習(xí),習(xí)得了相關(guān)的解決問題的經(jīng)驗(yàn)和方法,但以往的練習(xí)中多為僅涉及一個可逆反應(yīng)的簡單平衡體系,而此題目涉及可逆反應(yīng)、平行反應(yīng)、連續(xù)反應(yīng),在新的情境下、在更為復(fù)雜的平衡體系中提取信息、梳理信息,構(gòu)建模型,進(jìn)行原理分析和數(shù)理計(jì)算,仍是學(xué)生的弱點(diǎn).

2.2 呈現(xiàn)形式分析

試題信息和任務(wù)的呈現(xiàn)簡單明了.首先,題干中簡明扼要地給出問題情境:利用γ-丁內(nèi)酯(BL)制備1,4-丁二醇(BD),除主反應(yīng)Ⅰ外,反應(yīng)過程中伴有生成四氫呋喃(THF)和1-丁醇(BuOH)的副反應(yīng)Ⅱ和Ⅲ.然后給出信息①和②,之后是3 個問題鏈,問題(1)中在給定溫度和壓強(qiáng)的條件下,忽略副反應(yīng),分別以等物質(zhì)的量的BL、BD 為初始原料,給出了達(dá)到平衡時的放熱和吸熱情況,計(jì)算該條件下反應(yīng)Ⅰ的焓變;問題(2)中以圖像的形式給出不同情況下某物種i的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)xi,通過對反應(yīng)熱的分析和數(shù)據(jù)的判斷,找出曲線的對應(yīng)關(guān)系并對平衡常數(shù)、xH2O和BD的產(chǎn)率進(jìn)行計(jì)算;問題(3)的圖像給出了隨時間t變化的3條曲線,分析溫度、壓強(qiáng)對(xBD/xBL)max及速率的影響情況.

試題的呈現(xiàn)形式豐富新穎,通過設(shè)置與設(shè)問相關(guān)的文字、符號描述、反應(yīng)過程的流程圖、多個變量隨時間t變化關(guān)系圖像的情境,考查化學(xué)反應(yīng)與能量、化學(xué)反應(yīng)平衡與速率等規(guī)律和應(yīng)用的核心知識點(diǎn),突出“變化觀念與平衡思想”“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”等化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng),符合“以核心素養(yǎng)為測試宗旨”“以實(shí)際問題為測試任務(wù)”的命題原則.

2.3 解題思路分析

將復(fù)雜的表述簡單化、符號化處理,厘清條件(特別注意特殊條件).題干中看上去復(fù)雜的3個化學(xué)方程式經(jīng)結(jié)構(gòu)化處理后,呈現(xiàn)在眼前的化學(xué)反應(yīng)信息直觀、可見,將原題中圖1簡化處理后可知:

可逆反應(yīng)(快速平衡):

連續(xù)平行反應(yīng)(慢反應(yīng)):

對BL、BD、THF等物質(zhì)用簡單的符號進(jìn)行表征,厘清反應(yīng)Ⅰ與反應(yīng)Ⅱ、Ⅲ的區(qū)別與關(guān)系之后,題目的結(jié)構(gòu)更加清晰.

第(1)問:在2 種不同投料方式的情況下,利用“三段式”可推知反應(yīng)Ⅰ可達(dá)到相同的化學(xué)平衡狀態(tài),結(jié)合信息“高壓H2氛圍下,H2壓強(qiáng)等于總壓且保持不變”,設(shè)初始?xì)錃獾奈镔|(zhì)的量為n,基于三段式法進(jìn)行定量計(jì)算,列出平衡常數(shù)Kp(BL 為初始原料)、Kp(BD為初始原料)表達(dá)式.設(shè)2種不同投料方式下BL的物質(zhì)的量的變化量分別為x、y.

定量闡釋:計(jì)算結(jié)果表明,無論以BL 或BD 為初始原料,最終達(dá)到的平衡狀態(tài)是相同的(若投料為1mol,二者反應(yīng)進(jìn)度絕對值之和為1).因此,若有5.0×10－3molBL 完全反應(yīng),體系將向環(huán)境放熱(X＋Y)kJ;而對于化學(xué)反應(yīng)

其焓變?yōu)?molBL完全轉(zhuǎn)化成BD 的等壓反應(yīng)熱.由此推知:反應(yīng)Ⅰ焓變

上述過程可借用數(shù)學(xué)中的“相遇問題”模型進(jìn)行簡化處理,可用圖4表示.

圖4

通過示意圖可知,若5.0×10－3molBL完全轉(zhuǎn)化成BD,放出熱量(X＋Y)kJ,反應(yīng)Ⅰ焓變

第(2)問:結(jié)合題目中的重要信息:“以BL 為原料,體系向環(huán)境放熱XkJ;以BD 為原料,體系從環(huán)境吸熱YkJ”“實(shí)驗(yàn)測得X＜Y”及兩次實(shí)驗(yàn)條件是起始溫度、壓強(qiáng)和物料(以5.0×10－3molBL 或BD 為初始原料)相同的前提下,可推測出2次實(shí)驗(yàn)可達(dá)相同的化學(xué)平衡狀態(tài)且BL、BD 在平衡體系中的占比xBL＞xBD,由此可知,圖中表示xBL變化的曲線為x數(shù)值較大的a、c.

Kp的計(jì)算:首先明確反應(yīng)Ⅰ的Kp的表達(dá)式:

在相同的條件下(溫度和壓強(qiáng))BL 和BD 的分壓之比與物質(zhì)的量之比、在相同平衡體系中的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)相等,則

以BL為原料時,t1時刻的xH2O:分析簡化處理后的反應(yīng)為

反應(yīng)Ⅱ和反應(yīng)Ⅲ中生成的H2O 的總量與THF、BuOH 的總量相同,xBL、xBD分別為0.48、0.36,因此xH2O＝(1－0.48－0.36)÷2＝0.08.

計(jì)算以BL為原料時,t1時刻BD 的產(chǎn)率:

讀圖可知t1時刻xBD＝0.36,xBL＝0.48,計(jì)算可知THF、BuOH 的xi之和為0.08,將x當(dāng)作物質(zhì)的量進(jìn)行模型簡化,可推知投入的原料為

題目所給的3種條件改變的變量分別是溫度和壓強(qiáng),明確指出壓強(qiáng)對反應(yīng)速率的影響可忽略,因此本題中影響反應(yīng)速率的主要因素是溫度,而影響平衡的主要因素為溫度和壓強(qiáng).

反應(yīng)Ⅰ是氣體體積減小的反應(yīng),所以壓強(qiáng)增大,平衡正向移動,生成更多的BD;反應(yīng)Ⅱ、Ⅲ是氣體體積增大的反應(yīng),所以壓強(qiáng)增大,平衡逆向移動,也生成更多的BD.所以高壓條件下(xBD/xBL)max數(shù)值較大.

圖3中,a達(dá)到平衡所用的時間最少,說明其反應(yīng)溫度高.b、c溫度相同,c達(dá)到平衡用時與b相比較長,說明c的(xBD/xBL)max更大.

3 反思與總結(jié)

通過對近幾年試題的分析,我們發(fā)現(xiàn)在學(xué)習(xí)中應(yīng)特別重視必備知識的積累、整合和關(guān)聯(lián).在學(xué)習(xí)過程中,夯實(shí)基礎(chǔ)的同時,重視知識的結(jié)構(gòu)化處理,便于快速提取解決問題中用到的概念、規(guī)律、方法,努力把每一個概念及理論真正弄清楚,深刻理解其內(nèi)涵和外延,熟悉在新的情境下的遷移應(yīng)用.

在本題的具體解決過程中,我們發(fā)現(xiàn)模型的簡化處理是分析化學(xué)平衡問題的利器.xi中的“ⅰ”的理解和使用是簡化計(jì)算的妙招;阿伏加德羅定律的推論中“同溫同容下各氣體分壓之比等于物質(zhì)的量之比”的靈活使用也能大大減少計(jì)算量;通過對題目中一個新穎的物理量——(xBD/xBL)max及其與時間的關(guān)系圖像的分析,能解讀出該圖反應(yīng)溫度和壓強(qiáng)下的化學(xué)平衡與速率的關(guān)系,并將圖像“翻譯”成熟悉的文字表達(dá),以應(yīng)用“數(shù)形結(jié)合法”實(shí)現(xiàn)問題解決.掌握這種“化繁為簡”的轉(zhuǎn)化方法,一定能讓學(xué)生插上有力的翅膀,奔赴美好的前程.要做到“化繁為簡”,需在審情境時善于提取核心信息、構(gòu)建模型、應(yīng)用模型規(guī)律和方法迅速解決問題.師生要多歸納總結(jié),反思問題解決的思路和方法,形成可遷移的思維方法.

(完)