從化學知識到核心素養(yǎng)——以元素守恒思想在“復雜平衡體系中”的應用為例

重慶 王 明

化學學科核心素養(yǎng)“證據(jù)推理與模型認知”的提出對化學計算提出了更高的要求。常規(guī)教學中，我們習慣一道題建立一個解題方法，但是化學知識太多，高考的核心考點也較多，并且單個的解題方法只能鞏固化學知識而不能形成學科核心素養(yǎng)，所以筆者希望構(gòu)建一個模型可以解決盡可能多的問題，并有利于化學學科核心素養(yǎng)的形成。守恒法的基本思路是反應前后元素種類和原子個數(shù)不變。守恒法是中學化學中常用的方法，在化學方程式的配平和定量分析中是重要的理論依據(jù)。筆者仔細分析高考真題后發(fā)現(xiàn)在化學原理部分的多重平衡體系中，同樣也能使用元素守恒思想解決一些看似困難的計算問題。在實際教學中筆者運用元素守恒思想解決了這類看似復雜的計算問題。

一、模型建構(gòu)，追本溯源

【例1】CO2在Cu-ZnO催化下，同時發(fā)生如下反應Ⅰ、Ⅱ，且是解決溫室效應和能源短缺的重要手段。

T℃時，在容積不變的密閉容器中，充入一定量的CO2及H2，起始及達平衡時，容器內(nèi)各氣體物質(zhì)的量及總壓強如下表：

CO2H2CH3OH(g)COH2O(g)總壓強/kPa起始/mol0.50.9000p0平衡/moln0.3p

若反應Ⅰ、Ⅱ均達平衡時，p0=1.4p，則表中n=________；反應Ⅰ的平衡常數(shù)Kp=________(kPa)-2。(用含p的式子表示)

【解析】解決本題的關(guān)鍵是求出平衡體系中CO2、H2、CH3OH(g)、CO、H2O(g)的物質(zhì)的量，然后代入平衡常數(shù)Kp的計算公式，簡單計算即可得出反應I的平衡常數(shù)。

此問看似復雜，仔細分析后可歸納出如下思維路徑：

假設(shè)平衡時CO2、H2、CO的物質(zhì)的量分別為amol、bmol、cmol，則反應前后所有的數(shù)據(jù)如圖所示：

0.5=a+n+c(碳元素守恒)；1.8=2b+4n+0.3×2(氫元素守恒)；0.5×2=2a+n+c+0.3(氧元素守恒)；1=a+b+n+c+0.3(氣體總量不變)。上面四式聯(lián)立，可得：a=0.2，b=0.2，n=0.2，c=0.1。

結(jié)合例1的解決過程，我們可以建構(gòu)快速解決此類問題的思路模型，如下圖所示：

當然，此題的解法不止上面一種，也可以通過常見的“三段式法”得到答案。但是，在考場的高壓環(huán)境中學生不易理清自己的思路，特別是當不止一個未知數(shù)時，考場上緊張情緒往往會造成不必要的失分。元素守恒法并不追求巧妙，甚至有些老師或同學可能會感覺比較笨拙。但它明顯的優(yōu)點是思維難度不大，看似復雜的問題都可以忽略中間反應過程，直接從反應物和最后平衡狀態(tài)混合物入手，加以正確的證據(jù)推理和數(shù)據(jù)歸納概括得到答案。

二、證據(jù)推理，鞏固提升

解題模型是否有用，還是要在更多的題目中加以驗證，下面再利用該模型解決一道高考題。

【例2】(2018·全國卷Ⅰ·28節(jié)選)(2)F.Daniels等曾利用測壓法在剛性反應器中研究了25 ℃時N2O5(g)分解反應：

2N2O4(g)

其中NO2二聚為N2O4的反應可以迅速達到平衡。體系的總壓強p隨時間t的變化如下表所示[t=∞時，N2O5(g) 完全分解]：

t/min040801602601 3001 700∞p/kPa35.840.342.545.949.261.262.363.1

三式聯(lián)立可得x=18.8，y=26.4。本題中N、O元素守恒方程式化簡后相同，只能算是一個獨立的條件，所以找出了另一個比較隱蔽的獨立已知條件——平衡時氣體總物質(zhì)的量。

利用模型解決例2的過程提示我們，教師在命制此類問題時需注意：①恒溫恒容前提下，題目中可以全是壓強數(shù)據(jù)；②為了增加題目的綜合性，可考慮將Kc轉(zhuǎn)化為Kp；③體系中有幾個未知數(shù)，必須給出幾個獨立的已知條件，否則無法解答。

三、模型再探，圖像融合

【變式1】某溫度下，N2O5氣體在一體積固定的容器中發(fā)生如下反應：

體系總壓強p(總)和p(O2)隨時間的變化如圖所示：

①圖中表示O2壓強變化的曲線是________(填“甲”或“乙”)。

②已知N2O5分解的反應速率v=0.12×p(N2O5)(kPa·h-1)，t=10 h時，p(N2O5)=________kPa，v=________kPa·h-1(結(jié)果保留兩位小數(shù)，下同)。

【答案】①乙 ②3.38 ③0.05

①起始時，只加入N2O5，所以O(shè)2的分壓應由0開始。故曲線乙表示O2的壓強變化。

②觀察反應Ⅰ和Ⅱ，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生的O2始終為消耗的N2O5的一半，故t=10 h時，p(N2O5)=53.8-12.8×2=28.2 kPa，代入速率方程v=0.12×p(N2O5)(kPa·h-1)v=0.12×28.2(kPa·h-1)=3.38(kPa·h-1)。

③利用前面的解題模型有：

三式聯(lián)立解之得x=28，y=39.8。

反應溫度在1 300 K時，反應t小時后測得容器中n(CO)+n(CO2)=2 mol，n(H2O)=6.2 mol，則容器中生成H2的平均反應速率v(H2)=________。

【解析】本題的題干并未告知反應過程，從圖像來看應該相當復雜，在考試環(huán)境下學生不容易計算出正確答案。但是運用上述的守恒思想、題干信息以及圖像中的已知數(shù)據(jù)，卻能使復雜問題簡單化。

利用題目已知，設(shè)n(CH3CH2OH)=amol，則n(O2)=amol、n(H2O)=6amol；圖像中1 300 K情況下容器中有H2O、H2、CO和CO2。