高中化學“U(V)型”圖像題的研究分析

徐凱飛 苗懷儀

(吉林省長春市實驗中學)

新高考下,化學試題對批判性思維的考查逐漸普及,尤其是一些結構不良問題的分析與探索。此類試題涵蓋面較為廣泛,答案也往往比較開放,很多學生反饋這類試題很難,筆者針對特定模型的“U(V)型”圖或“倒U(V)型”圖類試題進行了匯總分析。

一、化學反應速率與化學平衡

(一)實時轉化率的圖像變化

不同溫度下,“反應物以一定流速通過催化劑”或“反應經相同時間”,反應物A的轉化率隨溫度的變化關系一定溫度下,反應混合氣體以一定流速通過催化劑,反應物A的轉化率與另一反應物氣體X的濃度變化關系一定溫度下,氣體反應物以不同的流速經過反應催化裝置,反應物A的轉化率與氣體流速的關系T1之前,為非平衡態,轉化率隨速率的增大而增大,速率增大的原因可能為:①溫度升高,速率增大;②溫度升高,催化劑活性增強。T1之后,轉化率下降,其原因可能為:①T1之后仍為非平衡態:催化劑活性降低導致速率降低幅度超過由于溫度升高使速率增大的幅度;②T1之后為平衡態,該反應為放熱反應,升溫導致反應平衡逆向移動;③副反應(競爭反應)程度增大氣體X為另外一種反應氣體,隨氣體X的濃度的遞增,A的轉化率逐漸上升,當氣體X濃度過高時,A轉化率下降的原因可能為氣體X濃度過大導致氣體A與催化劑接觸面積減小;或氣體X與某產物發生副反應氣體流速過小,則生成物不能及時從催化劑表面脫附,占據活性位點,減少了反應物與催化劑的活性位點的接觸,反應速率降低。氣體流速過大,則會導致反應物不能充分地與催化劑接觸,反應不充分,以至于轉化率降低

非平衡點的轉化率大小取決于化學反應速率,而速率的主要影響因素為溫度、催化劑、濃度、壓強和接觸面積等,其中催化劑是高頻考點,而催化劑的催化效率與溫度、接觸面積等因素有關。所以溫度的改變可能會造成“過猶不及”的結果,則解決此類試題的思路如圖1:

圖1

【例1】(2019年江蘇卷,15題節選)在恒壓、NO和O2的起始濃度一定的條件下,催化反應相同時間。測得不同溫度下NO轉化為NO2的轉化率如圖中實線所示(圖2中虛線表示相同條件下NO的平衡轉化率隨溫度的變化)。下列說法正確的是

( )

圖2

B.圖中X點所示條件下,延長反應時間能提高NO的轉化率

C.圖中Y點所示條件下,增加O2的濃度不能提高NO的轉化率

【分析】

圖中虛線代表平衡轉化率,實線代表實時轉化率,兩線合并時說明當前處于平衡狀態,根據平衡態時升溫導致轉化率降低,說明平衡逆向移動,可以判斷該反應為放熱反應;Y點根據勒夏特列原理,增大氧氣濃度,平衡正移,可以提高NO轉化率。X點為非平衡態,若延長時間可以達到平衡。

(二)平衡轉化率/產率/百分含量的圖像變化

雙平衡體系中,物質A在兩組反應方程式中均有參與,改變影響平衡的某一因素(溫度或壓強),平衡發生移動,物質A的轉化率變化圖像一定溫度下,按不同投料比加入反應物,平衡后所得生成物的體積分數與投料比的關系圖根據勒夏特列原理,改變某一因素后,平衡會發生移動,但兩組反應移動后,對α(A)的影響結果是相反的。一組移動后α(A)增加,而另一組減少。此時我們要結合圖像進行平衡移動程度大小的判斷當反應物的投料比等于化學反應方程式的系數比時,生成物的體積分數最大

【例2】(2018年全國Ⅱ卷,27題節選)反應中催化劑活性會因積碳反應而降低,同時存在的消碳反應則使積碳量減少。相關數據如表:

積碳反應CH4(g)C(s)+2H2(g)消碳反應CO2(g)+C(s)2CO(g)ΔH/kJ·mol-175172活化能(kJ·mol-1)催化劑X3391催化劑Y4372

在反應進料氣組成、壓強及反應時間相同的情況下,某催化劑表面的積碳量隨溫度的變化關系如圖3所示。升高溫度時,下列關于積碳反應、消碳反應的平衡常數(K)和速率(v)的敘述正確的是________(填標號)。

圖3

A.K積、K消均增加

B.v積減小、v消增加

C.K積減小、K消增加

D.v消增加的倍數比v積增加的倍數大

【分析】圖像中的積碳量先增加后減小也體現出了溫度變化對平衡移動的影響,升溫積碳反應和消碳反應平衡均正移,碳的量的變化相反,600℃之前積碳速率大于消碳速率,600℃之后消碳速率大于積碳速率,說明升溫消碳反應速率變化倍數更大。

(三)化學反應速率的圖像變化

多因素控制v(速率)T(溫度)圖像v(速率)t(時間)圖像T1之前,反應速率隨溫度升高而增大;T1之后,反應速率隨溫度上升而下降。原因可能為:①有酶參與的反應,溫度高酶會失去活性;②有催化劑參與的反應,升高溫度,催化劑活性降低;③有氣體參與的液相反應,升高溫度,氣體的溶解度減小;④加熱時易分解的物質(H2O2、NH3·H2O等)分解;⑤加熱時易揮發的物質(濃硝酸、濃鹽酸)大量揮發;⑥加熱時易水解的物質轉化為膠體或沉淀綜合題干信息,進行各因素影響程度大小的判斷:升高溫度,可以提高速率常數,從而提高化學反應速率;但在某些題中,存在一些反常規的信息,“升溫也可能使速率降低”,速率先升高后降低的現象用各因素對速率的影響程度大小來分析Ⅰ.自催化反應例如H2SO4酸化的高錳酸鉀與草酸反應,生成了MnSO4,生成物也可以作為催化劑,提高反應速率。所以t1之前,速率逐漸變大。t1之后,濃度對反應速率的影響成為主要因素,反應物濃度降低,導致反應速率減慢。Ⅱ.放熱反應t1之前,反應放熱,溫度升高使速率逐漸變大。t1之后由于濃度降低導致速率降低的影響更大

圖4

【答案】升高溫度,k增大使v逐漸提高,但α降低使v逐漸下降。當ttm后,k增大對v的提高小于α引起的降低。

【分析】結構不良問題的思辨能力的考查。基于速率方程的表達式分析,尋找證據,建立聯系,找出因果關系,得出相關結論。學生所掌握的規律是溫度升高,速率變大,但圖像的結果是tm后再升溫速率減小,學生產生認知沖突,而問題的關鍵就是解決這個認知沖突。

二、電解質溶液

(一)電導率圖像

溶液的導電能力取決于電荷濃度,即離子濃度和離子所帶電荷數。在電解質溶液中,由于元素是守恒的,所以離子所帶電荷數不會改變,分析時從離子數目和溶液體積變化著手。

弱電解質溶解稀釋圖像離子反應最高點之前:未達電離平衡狀態,弱電解質分子的電離速率大于離子的結合速率,導致水中的離子濃度增大,電導率增強;最高點之后:達到電離平衡狀態,繼續加水,電離平衡雖然正移,但離子濃度降低,電導率下降“弱”+“弱”→“強”最高點之前:溶液為弱電解質溶液,微弱電離,離子濃度小,加入另一弱電解質反應生成強電解質,完全電離,離子濃度變大,電導率上升;最高點為恰好反應點;最高點之后:弱電解質溶液過量,離子濃度再下降,電導率變小“強”+“強”→“弱”+“沉”最低點之前:溶液為強電解質,完全電離,離子濃度大,加入另一種強電解質生成沉淀及弱電解質,離子濃度變小,電導率下降;最低點為恰好反應點;最低點之后:強電解質過量,離子濃度再提升,電導率增大

【例4】一定溫度下,將一定質量的冰醋酸加水稀釋過程中,溶液的導電能力變化如圖5所示,下列說法正確的是

( )

圖5

A.a、b、c三點溶液的pH:c

B.a、b、c三點CH3COOH的電離程度:a

C.用濕潤的pH試紙測量a處溶液的pH,測量結果偏大

【分析】b點之前向冰醋酸中加水,醋酸不斷溶解、電離,直至達到平衡點b,此時離子濃度最大,即H+、CH3COO-濃度達到最大值,pH最小。b點之后,不斷加水稀釋,電離程度逐漸變大,但離子濃度逐漸減小。

(二)離子濃度圖像

中和滴定過程中,水的電離程度與所加溶液體積的關系必備知識—水的電離的影響因素抑制:降溫、酸、堿、強酸的酸式鹽、電離程度大于水解程度的弱酸酸式鹽;促進:升溫、能水解的正鹽、水解程度大于電離程度的弱酸酸式鹽、能與水反應的物質(Na、NaH、Mg3N2等)常溫下,純水中c水(H+)=c水(OH-)=1×10-7 mol/L,a點之前c水(H+)<1×10-7 mol/L說明溶質為抑制水的電離的酸或堿或電離大于水解的酸式鹽,以NaOH溶液滴定醋酸為例,醋酸對水的電離起抑制作用;外加NaOH中和之后生成醋酸鈉,醋酸對水的電離的抑制作用逐漸減弱,醋酸鈉對水的電離的促進作用逐漸增強;到達第一個c水(H+)=1×10-7 mol/L點時,兩項作用剛好抵消,此時恰好為中性點;達到b點時,酸堿恰好完全中和,此時只有醋酸鈉的促進作用,水的電離程度最大,此時溶液呈堿性,溶液中的OH-全部來源于水;之后再加入NaOH,堿電離出的OH-抑制水的電離,c水(H+)又逐漸減少,c點溶液呈堿性,且堿性比b點強

【例5】常溫下,向20.00 mL 0.1 mol·L-1HA溶液中滴入0.1 mol·L-1NaOH溶液,溶液中由水電離出的氫離子濃度的負對數[-lgc水(H+)]與所加NaOH溶液體積的關系如圖6所示,下列說法中不正確的是

( )

圖6

B.M、P兩點溶液對應的pH=7

【分析】N點水的電離程度最大,所以是恰好完全反應生成NaA,此時呈堿性,再加NaOH才能達到P點,故P點不是中性點,M點為中性點。要求學生能夠根據本圖像進行思維轉換,建立與pH變化圖像的聯系。

三、連續型反應

一定溫度下,向溶液B中通入氣體A或加入物質A,體系中物質C的量的變化HNO3→Fe(NO3)3→Fe(NO3)2Ca(OH)2→CaCO3→Ca(HCO3)2H2SO3→H2SO4→HClO

有關連續反應的例子不勝枚舉,體現了由量變到質變的化學反應特點。高考中側重對新情境問題的考查,需要學生們結合圖像變化和物質的性質,找出合理證據,分析作答。

【例6】(2023年湖北模擬節選)工業生產中,氧化劑的實際使用量和理論計算量之間的比值稱為配氧率。如圖7是配氧率對碘單質回收率的影響曲線圖。試解釋配氧率選擇112～113之間的原因。

圖7

【答案】配氧率過低,I-不能完全轉化為碘單質;配氧率過高,可能發生副反應,使碘單質進一步被氧化為碘酸根,或耗費大量氧化劑。

四、其他

熱化學能量變化圖像學生能夠識別圖像,知道圖像中各符號的意義,并能夠應用計算。提示學生注意區分“活化能”與“總鍵能” “鍵能”與“能量”以及各物理量與反應熱的定量關系,強化學生對概念的理解與應用電化學混合型電解質分階段電解學生要明確放電順序及離子含量,確定各階段的電解類型(電解電解質、放氧生酸、放氫生堿、電解水)、具體的電極反應方程式、電子轉移定量關系的同時也要結合鹽類的水解等知識綜合分析綜合情景問題圖像此類試題要從題干中獲取有效信息,將橫縱坐標通過化學反應規律建立聯系,結合關鍵信息,找出變量的“雙刃劍”式影響

【例7】(2023年1月浙江卷,13題節選)甲酸(HCOOH)是重要的化工原料。工業廢水中的甲酸及其鹽,通過離子交換樹脂(含固體活性成分R3N,R為烷基)因靜電作用被吸附回收,其回收率(被吸附在樹脂上甲酸根的物質的量分數)與廢水初始pH關系如圖8(已知甲酸Ka=1.8×10-4),下列說法不正確的是

( )

圖8

C.廢水初始pH<2.4,隨pH下降,甲酸的電離被抑制,與R3NH+作用的HCOO-數目減少

D.廢水初始pH>5,離子交換樹脂活性成分主要以R3NH+形態存在

【分析】有效信息:因靜電作用被吸附回收,回收率(被吸附在樹脂上甲酸根的物質的量分數)。

命題方向:本題利用新情境,創新性地考查了弱酸弱堿的電離平衡及其影響因素的分析,學生要做到提取有效信息,靈活運用必備知識,對圖像的變化進行辨析。

綜上,此類試題通常具有如下特點:

考查方式關鍵能力學科核心素養思維方法哲學思想解釋闡述,對學生“知其所以然”的考查圖表類信息的獲取與加工;邏輯推理與論證;批判性思維與辨證能力證據推理與模型認知;變化觀念與平衡思想邏輯思維;批判性思維物質變化規律:①量變到質變;②矛盾的對立統一規律

從新高考的考查方向和考查方式上看,高考試題更加關注學生對信息的整合、對原因的分析和對結論的評價。新高考U型或倒U型試題的設問通常為主觀的文字描述,難度較大。因此在高三復習過程中,我們應致力于培養學生“證據推理與模型認知”的學科核心素養和推理論證能力,注重知識的邏輯關系,注重思維的邏輯性,讓學生真正做到“知其然,知其所以然”。