“在變化中找不變量”巧解速率平衡計算
——以2023年山東高考20題為例

徐增慧

(山東省諸城市教育科學研究院)

化學反應原理壓軸大題是山東省落實新課標實施新高考以來,高考化學試卷中的必考題型,該題目能很好地考查學生提取信息、發現問題、發現隱藏規律,創造性地運用不同方法發散地、逆向地解決問題等關鍵能力,但是該題得分率一直較低,成為復習備考中比較難啃的“硬骨頭”,特別是其中的相關計算更是成為學生的“丟分題”。鑒于此,本文重點以2023年山東卷20題中速率平衡計算為例,探討有關計算問題的解題策略:在“變化中找不變量”——巧用原子守恒或平衡常數或固定配比等在解題中的具體應用,以期對2024屆高三學生的復習有所助益,提高學生高考得分。

一、高考要求

“變化觀念與平衡思想”是五大化學學科核心素養之一。《普通高中化學課程標準》(2017年版2020年修訂)核心素養水平中指出“變化觀念與平衡思想”水平4:要求能運用對立統一思想和定性定量結合的方式揭示化學變化的本質特征。

在《中國高考評價體系》知識獲取能力群中也明確要求學生“能夠從情境中提取有效信息;能夠從中發現問題;透過現象看到本質,發現隱藏規律或原理”。在思維認知能力群中要求“能夠獨立思考,通過邏輯思辨,發表獨立的、有創造性的看法;能夠從多個視角觀察、思考同一個問題;能夠靈活地、創造性地運用不同方法,發散地、逆向地解決問題”。

要解決高考題中速率平衡的相關計算,需要學生核心素養水平達到4級要求,能在復雜的化學反應情境中獲取關鍵信息,梳理問題脈絡,基于“變化觀念與平衡思想”,利用好原子守恒或平衡常數或固定配比等,根據實際問題建構解題模型,解決問題。

二、近四年山東高考真題分析

縱觀2020—2023年,每年的高考原理大題幾乎都為12分,設置問題7-8問,重點考查蓋斯定律、速率方程、速率影響因素、平衡常數、平衡移動等重點學科知識。試題載體新穎,信息量大,陌生度高,是試卷中區分度較高的題目,尤其是速率平衡的相關計算難度更大,其核心素養考查水平達到了4級要求。要求學生根據所學必備知識,調用理解與辨析、分析與推測、探究與創新、歸納與論證等關鍵能力,靈活應用平衡分析的基本思維模型才能創造性地解決問題。

在解決速率平衡的相關計算題目時,一般學生的思路是利用化學平衡的思維模型——“三段式”分析解決,但是該類高考試題往往涉及多個相互關聯的復雜的化學平衡體系,在考試中需要關聯數據,特別容易出錯,且計算量較大,不可取;但是通過對近四年山東卷高考題的持續研究我們發現,若學生能分析問題,邏輯靈活運用化學學科大觀念“變化觀念與平衡思想”,嘗試“在變化中找不變量”——巧用原子守恒或平衡常數或固定配比等,則能夠在考場上快速準確完成速率平衡計算部分的解答。本文以2023年山東高考20題的速率平衡相關計算分析為例,與各位同仁分享。

三、典例分析

研究發現,在反應Ⅰ,Ⅱ中,H+僅對反應Ⅰ有催化加速作用;反應Ⅰ的速率遠大于反應Ⅱ,近似認為反應Ⅰ建立平衡后始終處于平衡狀態。忽略水的電離,其濃度視為常數。

【題干信息加工】該部分設問很好地考查了學生獲取加工新信息的能力以及分析問題,邏輯思辨,通過多視角觀察,創造性地解決問題等關鍵能力。下面通過信息解讀來展示一下如何進行信息加工處理,及如何“在變化中尋求不變量”——化學平衡常數,并利用“守恒法”巧解該題。

獲取信息一:“反應Ⅰ是快反應,速率遠遠大于反應Ⅱ,且建立平衡后始終處于平衡狀態”,這意味著反應Ⅰ先達到平衡,反應Ⅱ在反應Ⅰ平衡后需要反應一段時間才能到達平衡狀態,且在這段時間里反應Ⅰ處于平衡狀態。

獲取信息二:“忽略水的電離,其濃度視為常數”這句話意味著在求算反應Ⅰ的平衡常數時不需要把水放入常數表達式中,同時對解題信息比較敏感的學生會馬上聯想到,在本題計算中可能會用到反應Ⅰ的平衡常數。

獲取信息三:圖像信息。通過讀圖可以發現CO濃度在t1時刻達到峰值(特殊點),說明此時反應Ⅰ達到化學平衡狀態;而CO2濃度一直是增大的,說明反應Ⅱ正向進行,直至達到平衡狀態。

【思維過程】

【解題技巧】尋找不變量:根據“原子守恒”,化學變化中原子總量不變;溫度不變化學平衡常數不變。

【建構模型】

四、遷移應用

【練習1】(2022年山東卷,20題節選)利用γ-丁內酯(BL)制備1,4-丁二醇(BD),反應過程中伴有生成四氫呋喃(THF)和1-丁醇(BuOH)的副反應,涉及反應如下:

已知:①反應Ⅰ為快速平衡,可認為不受慢反應Ⅱ、Ⅲ的影響;②因反應Ⅰ在高壓H2氛圍下進行,故H2壓強近似等于總壓。回答下列問題:

(1)以5.0×10-3mol BL或BD為初始原料,在493 K、3.0×103kPa的高壓H2氛圍下,分別在恒壓容器中進行反應。

(2)初始條件同上。xi表示某物種i的物質的量與除H2外其他各物種總物質的量之比,xBL和xBD隨時間t變化關系如圖甲所示。實驗測得X

甲

【參考答案】0.08

【思維過程】

【練習2】(2021年山東卷,20題節選)

2-甲氧基-2-甲基丁烷(TAME)常用作汽油添加劑。在催化劑作用下,可通過甲醇與烯烴的液相反應制得,體系中同時存在如下反應:

(2)為研究上述反應體系的平衡關系,向某反應容器中加入1.0 mol TAME,控制溫度為353 K,測得TAME的平衡轉化率為α。已知反應Ⅲ的平衡常數Kx3=9.0,則平衡體系中B的物質的量為________mol,反應Ⅰ的平衡常數Kx1=________。

同溫同壓下,再向該容器中注入惰性溶劑四氫呋喃稀釋,反應Ⅰ的化學平衡將逆向移動(填“正向移動”“逆向移動”或“不移動”);平衡時,A與CH3OH物質的量濃度之比c(A)∶c(CH3OH)=________。

【思維過程】