原子守恒法在有關多重平衡計算中的應用

夏昌偉

(浙江省杭州市富陽區教育發展研究中心)

以“一核四層四翼”為核心的《中國高考評價體系》,清晰地詮釋了新高考對學科素養的考查要求。學科素養即學生在面對生活實踐或學習探索問題情境時,能夠在正確的思想價值觀念指導下,合理運用科學的思維方法,有效整合學科相關知識,運用學科相關能力,高質量地認識問題、分析問題、解決問題的綜合品質。化學學科試題的命制,只有遴選合適的生活素材,提煉合理的問題情境,才能做到價值引領、素養導向,有效考查關鍵能力與必備知識。“變廢為寶” “碳中和”以及“氮氧化物治理”等環境和能源問題一直是命題的熱點,這些議題均為多反應復雜體系。問題解決過程中均要考慮主副反應多重平衡的實際問題,常被用作反應原理試題命制的學術探索情境,考查學生應對復雜問題的思維能力和解決問題的基本方法。有學生在練習的過程中反饋由于山東高考題經常設置復雜問題情境而找不到準確的切入點。筆者特以兩道山東高考和一道天津高考題為例,利用守恒法速解多重平衡中的相關計算問題。

多重平衡指一個化學反應體系中存在多個化學反應,可以分為兩種類型。一種物質既可能是某個反應的產物,同時也可能是其他反應的反應物,即連續型;同樣有可能在一定條件下同一反應物存在多個副反應,即競爭型。

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。

回答下列問題:

【分析】本題以甲酸分解的兩種可能為情境,求解平衡時復雜體系中部分組分之間的比例關系。學生解決此類問題常習慣用“三段式”來表征反應前后物質的濃度,而多重平衡體系中反應之間的相互干擾,是學生書寫三段式的最大障礙。筆者用原子守恒法避開三段式的書寫,直接求解平衡時各物質的平衡濃度,解決相關問題。

t1時刻HCOOH的濃度可通過C、H、O三種原子分別守恒得出C、H、O三種原子的濃度關系,從而求解。

C原子守恒:1.0-0.7-0.16=0.14

H原子守恒:[1.0×2-(0.7+0.16)×2]÷2=0.14

O原子守恒:[1.0×2-(0.7×1+0.16×2)-0.7]÷2=0.14

故t1時刻c(HCOOH)=0.14 mol·L-1。

【例2-競爭型】(2020年山東卷,18題節選)探究CH3OH合成反應化學平衡的影響因素,有利于提高CH3OH的產率。以CO2、H2為原料合成CH3OH涉及的主要反應如下:

回答下列問題:

(2)一定條件下,向體積為VL的恒容密閉容器中通入1 mol CO2和3 mol H2發生上述反應,達到平衡時,容器中CH3OH(g)為amol,CO為bmol,此時H2O(g)的濃度為________mol·L-1(用含a、b、V的代數式表示,下同),反應Ⅲ的平衡常數為________。

【分析】利用C、H、O三種原子守恒,分別求解平衡態時各物質的濃度。

【例3-連續型】(2019天津卷,7題節選)(5)在1 L真空密閉容器中,加入amol PH4I固體,t℃時發生如下反應:

達到平衡時,體系中n(HI)=bmol,n(I2)=cmol,n(H2)=dmol,則t℃時反應①的平衡常數K值為________(用字母表示)。

【分析】本題涉及反應較多,且為連續型,若以宏觀物質為分析對象,必然相互干擾,導致思維混亂。化學反應的本質即原子的重新組合,在組合的過程中原子的種類和數量保持不變。基于微粒觀,利用原子守恒法快速求解多重平衡體系反應中各物質的物質的量。

【總結】多重平衡時化工生產中的真實情境與高中化學學習關聯度高,用于試題命制能全面考查學生解決實際問題的能力,所以也是復習備考的重點方向。針對多重平衡相關計算問題,基于宏觀視角以某種物質或某個反應為研究對象,面臨的最大障礙是物質或反應間的相互干擾。基于微觀視角以某種原子的初始狀態和平衡狀態為研究對象,根據原子守恒進行計算,很好地避開了物質或反應間的相互干擾,巧妙解決多重平衡題型的計算問題。此類題型在高考真題中高頻出現并非偶然,微粒觀和守恒觀是最能體現化學學科思維方式和學科思想的基本觀念。建議教師在復習備考的過程中應以《中國高考評價體系》為引領,深研高考試題,方能幫助學生有效提高備考的精準度。