化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡易錯(cuò)題方法解析

■北京十一學(xué)校 余彩芳(博士)

化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡易錯(cuò)題方法解析

■北京十一學(xué)校 余彩芳(博士)

化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡知識(shí)對(duì)發(fā)散性思維要求較高,也是學(xué)習(xí)電離平衡和溶解平衡必備的知識(shí),內(nèi)容抽象,出題方式靈活多樣,對(duì)考生思維理解的變異及想象能力的考查較為全面,是考生不容易攻破的難點(diǎn)和易錯(cuò)點(diǎn)。現(xiàn)以2017年高考選擇題中出現(xiàn)的化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡有關(guān)考點(diǎn)為例,對(duì)常見(jiàn)題型的分析方法和易錯(cuò)點(diǎn)歸納如下。

一、化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡有關(guān)圖像問(wèn)題的考查

與元素及其化合物知識(shí)的學(xué)習(xí)不同,化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡這部分知識(shí)缺乏具體的知識(shí)載體,對(duì)抽象思維要求較高。而平衡圖像則是把這些抽象的內(nèi)容形象化的過(guò)程,要求同學(xué)們能夠?qū)@些抽象內(nèi)容進(jìn)行再加工,把概念、原理和技能融為一體,從而幫助同學(xué)們形成完整的知識(shí)體系。這部分內(nèi)容的易錯(cuò)點(diǎn)主要是對(duì)橫、縱坐標(biāo)的認(rèn)識(shí)不夠,對(duì)圖像中判斷化學(xué)速率大小以及是否達(dá)到化學(xué)平衡的標(biāo)志理解不夠深刻。

例1H2O2分解速率受多種因素影響。實(shí)驗(yàn)測(cè)得70℃時(shí)不同條件下H2O2濃度隨時(shí)間的變化如圖1所示。下列說(shuō)法正確的是( )。

圖1

A.圖甲表明,其他條件相同時(shí),H2O2濃度越小,其分解速率越快

B.圖乙表明,其他條件相同時(shí),溶液pH越小,H2O2分解速率越快

C.圖丙表明,少量 Mn2+存在時(shí),溶液堿性越強(qiáng),H2O2分解速率越快

D.圖丙和圖丁表明,堿性溶液中,Mn2+對(duì)H2O2分解速率的影響大

解析：題目中所涉及的四個(gè)圖像均是速率與平衡常見(jiàn)圖像中典型的“濃度—時(shí)間”圖,從選項(xiàng)考查的內(nèi)容來(lái)看,主要考查考生對(duì)影響速率的各種因素的理解以及分析圖像的能力。分析圖像問(wèn)題時(shí),首先要分清橫、縱坐標(biāo)軸的物理量及單位,進(jìn)而思考這兩個(gè)物理量之間的關(guān)系。從選項(xiàng)的設(shè)置看,這道題都是考查不同條件下速率的變化關(guān)系。根據(jù)速率公式,在“濃度—時(shí)間”圖里,判斷速率大小的標(biāo)志就是相同時(shí)間內(nèi)濃度變化的多少,在圖像問(wèn)題的考查中屬于簡(jiǎn)單題。

選項(xiàng)A,根據(jù)影響速率的因素中,反應(yīng)物濃度越大,化學(xué)反應(yīng)的速率越快,可得知A錯(cuò)誤;同時(shí)也可結(jié)合圖像得到進(jìn)一步驗(yàn)證,三個(gè)不同濃度下的曲線下降快慢不一,在相同時(shí)間內(nèi),曲線下降越快的,反應(yīng)越快。

選項(xiàng)B,三條曲線的起始濃度一致,取相同時(shí)間內(nèi),誰(shuí)的終點(diǎn)濃度最小,則變化最大,速率越快。依據(jù)圖像知是0.1 mol·L-1NaOH溶液的速率最快,即溶液pH越大,H2O2分解速率越快,故B錯(cuò)誤。

選項(xiàng)C,三條曲線中,0.1 mol·L-1NaOH溶液的速率最快,而0 mol·L-1NaOH溶液的速率最慢,1.0 mol·L-1NaOH時(shí)速率居中,與溶液pH沒(méi)有明顯相關(guān)性,故C錯(cuò)誤。

選項(xiàng)D,三條曲線起始濃度相同,Mn2+濃度越大,相同時(shí)間內(nèi)濃度減少越快,故D正確。

答案：D

二、利用化學(xué)平衡常數(shù)解決相同溫度下的不同平衡

化學(xué)平衡常數(shù)是解釋化學(xué)平衡移動(dòng)原理的重要工具?；瘜W(xué)平衡移動(dòng)原理描述為“如果改變影響平衡的一個(gè)條件(濃度、壓強(qiáng)、溫度),平衡就向能夠減弱這種改變的方向移動(dòng)”,如何理解“減弱”這兩個(gè)字是一直以來(lái)考查的重點(diǎn)和難點(diǎn)。溫度的影響相對(duì)好理解,但濃度、壓強(qiáng)的影響就很難講解清楚,即使借助一些演示實(shí)驗(yàn)也很難讓同學(xué)感受減弱的現(xiàn)象。此時(shí),適當(dāng)?shù)剡\(yùn)用平衡常數(shù)則可以幫助同學(xué)們更好地理解化學(xué)平衡移動(dòng)原理。尤其對(duì)于一些條件改變復(fù)雜的不同平衡間關(guān)系的尋找很有用。這部分內(nèi)容的易錯(cuò)點(diǎn)主要在于計(jì)算上的失誤,對(duì)平衡三段式計(jì)算規(guī)則的不熟悉。

例2溫度為T1時(shí),在三個(gè)容積均為1L的恒容密閉容器中僅發(fā)生反應(yīng)：2NO2(g)2NO(g)+O2(g)(正反應(yīng)吸熱)。實(shí)驗(yàn)測(cè)得：v正=v(NO2)消耗=k正c2(NO2),v逆=v(NO)消耗=2v(O2)消耗=k逆c2(NO)·c(O2),k正、k逆為速率常數(shù),受溫度影響。有關(guān)數(shù)據(jù)如表1。

表1

下列說(shuō)法正確的是( )。

A.達(dá)平衡時(shí),容器Ⅰ與容器Ⅱ中的總壓強(qiáng)之比為4∶5

C.達(dá)平衡時(shí),容器Ⅲ中NO的體積分?jǐn)?shù)大于50%

D.當(dāng)溫度改變?yōu)門2時(shí),若k正=k逆,則T2＞T1

解析：這道題引入了速率平衡常數(shù)的概念,在原有對(duì)化學(xué)平衡常數(shù)的認(rèn)知基礎(chǔ)上,考生可以進(jìn)行知識(shí)遷移,算高考選擇題中的難題。

拿到這樣一個(gè)表格,看到容器Ⅰ的起始濃度和平衡濃度均是已知,三個(gè)容器均是相同溫度下的反應(yīng),所以首先想到要依據(jù)容器Ⅰ的各項(xiàng)數(shù)據(jù)計(jì)算該溫度下的平衡常數(shù),可用平衡三段式的模式解決。

根據(jù)表格所給,x=0.2,則三物質(zhì)的平衡濃度分別為0.2mol·L-1、0.4 mol·L-1、0.2mol·L-1,平衡常數(shù)K=0.8。接下來(lái)可依據(jù)平衡常數(shù)分析解題。

選項(xiàng)A,計(jì)算容器Ⅰ和Ⅱ的總壓強(qiáng)之比,即為濃度之比。容器Ⅰ平衡時(shí)各物質(zhì)的總濃度和為0.8mol·L-1。計(jì)算容器Ⅱ中的平衡濃度時(shí)還需要注意先判斷平衡移動(dòng)的方向,因?yàn)檫@是一個(gè)初始狀態(tài)里三個(gè)物質(zhì)均有的情況,可根據(jù)Q和K的大小來(lái)判斷。計(jì)算出,平衡正向移動(dòng)?，F(xiàn)在容器Ⅱ中各物質(zhì)的濃度和為1.0mol·L-1,這是一個(gè)反應(yīng)系數(shù)增大的反應(yīng),故平衡時(shí)各物質(zhì)的濃度總和必然大于1.0mol·L-1,所以壓強(qiáng)之比小于4∶5,A錯(cuò)。這個(gè)選項(xiàng)很多同學(xué)習(xí)慣按照平衡三段式來(lái)計(jì)算容器Ⅱ中平衡時(shí)各物質(zhì)的濃度,方法上可行,但是計(jì)算起來(lái)非常復(fù)雜,需要解一個(gè)一元三次方程,很費(fèi)時(shí)間。這時(shí)候要想到利用比較的關(guān)系來(lái)分析。

選項(xiàng)C,達(dá)平衡時(shí),以容器中NO的體積分?jǐn)?shù)判斷,也可以容器Ⅰ為參照,容器Ⅰ平衡時(shí)NO的體積分?jǐn)?shù)為。根據(jù)等效平衡的分析方法,容器Ⅲ中的平衡可以等效于初始濃度分別為0.5 mol·L-1NO2和0.1mol·L-1O2建立的平衡,在這個(gè)等效平衡中,比容器Ⅰ中初始的NO2濃度低而O2濃度高,所以最終平衡的建立要在容器Ⅰ的基礎(chǔ)上正向移動(dòng),則NO濃度要比容器Ⅰ低,所以最終容器Ⅲ中NO的體積分?jǐn)?shù)小于容器Ⅰ,即小于50%。C錯(cuò)。

選項(xiàng)D,當(dāng)溫度改變?yōu)門2時(shí),若k正=k逆,,且平衡時(shí)v正=v逆,根據(jù)題目所給v正=k正c2(NO2),v逆=k逆c2(NO)·c(O2),得到K=1＞0.8(T1下的平衡常數(shù)),故從T1到T2,平衡正向移動(dòng)。又根據(jù)正反應(yīng)吸熱,T2是高溫,則T2＞T1,選項(xiàng)D正確。

答案：D

2017年所有的高考選擇題中,與速率平衡相關(guān)考點(diǎn)的內(nèi)容實(shí)際考查的不多,甚至有部分考卷在選擇題中完全沒(méi)有出現(xiàn)這部分內(nèi)容,但是這部分內(nèi)容深深滲透在大題考查中,本文所涉及的選擇題的分析方法與大題的解析是相通的。大題的考查也常以圖像和平衡常數(shù)為重點(diǎn)內(nèi)容,這部分內(nèi)容可以說(shuō)是平衡與速率專題考查的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

(責(zé)任編輯 謝啟剛)

余彩芳,畢業(yè)于北京大學(xué),博士,高級(jí)教師。從教六年,連續(xù)四年擔(dān)任畢業(yè)班化學(xué)教學(xué),承擔(dān)和參與多項(xiàng)課題,是北京市“十二五”一般課題和同名海淀區(qū)“十二五”重點(diǎn)課題負(fù)責(zé)人。