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

◇ 王 明

化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)“模型認(rèn)知與證據(jù)推理”的提出對化學(xué)計(jì)算提出了更高的要求.常規(guī)學(xué)習(xí)中，我們習(xí)慣一個題建立一個模型，但是化學(xué)知識太多，高考的核心考點(diǎn)更是不少，并且單個模型只能用于積累化學(xué)知識而不能形成化學(xué)素養(yǎng)，所以我們希望一個模型可以解決盡可能多的問題，這也有利于化學(xué)素養(yǎng)的形成.守恒法的基本思路是原子在反應(yīng)前、后總量保持相等.守恒法是中學(xué)化學(xué)中的常用方法，在配平化學(xué)方程式和計(jì)算中有重要用途.我們仔細(xì)分析就能發(fā)現(xiàn)，在化學(xué)原理部分多重平衡體系中，同樣也能使用元素守恒思想解決一些看似困難的計(jì)算問題.實(shí)際教學(xué)中筆者運(yùn)用元素守恒思想完美地解決了這類看似復(fù)雜的計(jì)算問題.

1 模型建構(gòu)、厘清本質(zhì)

例1目前，處理煙氣中的SO2常采用兩種方法：液吸法和還原法.

已知：①2CO(g)＋SO2(g)?S(l)＋2CO2(g)ΔH1＝－37.0 kJ·mol－1.

②2H2(g)＋SO2(g)?S(l)＋2 H2O(g)ΔH2＝＋45.4 kJ·mol－1.

某溫度下，向10 L恒容密閉容器中充入2 mol H2、2 mol CO和2 mol SO2發(fā)生反應(yīng)①、②，第5 min時(shí)達(dá)到平衡，測得混合氣體中CO2(g)、H2O(g)的物質(zhì)的量分別為1.6 mol、1.8 mol.該溫度下，反應(yīng)②的平衡常數(shù)K為________.

分析解答本題的關(guān)鍵是求出反應(yīng)體系中H2、SO2、H2O(g)的物質(zhì)的量，然后代入平衡常數(shù)的計(jì)算公式，簡單計(jì)算即可得出反應(yīng)②的平衡常數(shù)K.

此問看似復(fù)雜，仔細(xì)分析后可歸納出如下解題模型：運(yùn)用元素守恒思想，充入的物質(zhì)中C、H、O、S這4種元素總量守恒(相當(dāng)于4個已知條件)，平衡體系中有4個未知數(shù)(a、b、c、d)，解題模型如圖1所示.

圖1

綜上，運(yùn)用方程組此題一定能得到完美的解答.

2 mol×2＝2c＋1.8 mol×2(H元素守恒)；

2 mol＝a＋1.6 mol(C元素守恒)；

2 mol＝b＋d(S元素守恒)；

6 mol＝a＋2d＋1.6 mol×2＋1.8 mol(O元素守恒).

上面4個方程聯(lián)立可求出：a＝0.4 mol、b＝1.7 mol、c＝0.2 mol、d＝0.3 mol.故可知反應(yīng)②的平衡常數(shù)

當(dāng)然，此題的解法不止上面一種，也可以通過常見的“三行式法”得到解答.但是，在考場上學(xué)生處于高壓環(huán)境中，不容易厘清自己的思路，特別是當(dāng)存在不止一個未知數(shù)時(shí)，心態(tài)一緊張往往會造成不必要的失分.應(yīng)用元素守恒法解題的思維難度不大，看似復(fù)雜的問題其實(shí)都可以忽略中間反應(yīng)過程，直接從反應(yīng)物和最后平衡狀態(tài)入手，加以正確的證據(jù)推理和數(shù)據(jù)演繹得到答案，正所謂“大智若愚，大巧不工”!

2 證據(jù)推理，鞏固提升

解題模型有沒有用，還是要在更多的題目中加以驗(yàn)證，下面再舉一例以證明此模型的廣泛應(yīng)用.

例2CO2在Cu-ZnO催化條件下，同時(shí)發(fā)生如下反應(yīng)Ⅰ和Ⅱ，這是解決溫室效應(yīng)和能源短缺的重要手段.

Ⅰ.CO2(g)＋3H2(g)?CH3OH(g)＋H2O(g)ΔH1＜0

Ⅱ.CO2(g)＋H2(g)?CO(g)＋H2O(g)ΔH2＞0

保持溫度T時(shí)，在容積不變的密閉容器中，充入一定量的CO2及H2，起始及達(dá)平衡時(shí)，容器內(nèi)各氣體物質(zhì)的量及總壓強(qiáng)如表1所示.

表1

若反應(yīng)Ⅰ、Ⅱ均達(dá)平衡時(shí)，p0＝1.4p，則表中n＝___________；反應(yīng)Ⅰ的平衡常數(shù)Kp＝_________(kPa)－2.(用含p的式子表示)

解法1由理想氣體狀態(tài)方程pV＝nRT，T、V恒定情況下可得，

得出n(平衡氣體總物質(zhì)的量)＝1 mol.

解法2利用例1的解題模型分析如圖2所示.

圖2

3 模型再探，高考及變式題檢驗(yàn)

例3(2018年全國卷Ⅰ，節(jié)選)F.Daniels等曾利用測壓法在剛性反應(yīng)器中研究了25℃時(shí)N2O5(g)分解反應(yīng)：

其中NO2二聚為N2O4的反應(yīng)可以迅速達(dá)到平衡，體系的總壓強(qiáng)p隨時(shí)間t的變化如表2所示(t＝∞時(shí)，N2O5(g)完全分解)：

表2

25℃時(shí)，N2O4(g)?2NO2(g)反應(yīng)的平衡常數(shù)Kp＝_________kPa(Kp為以分壓表示的平衡常數(shù)，計(jì)算結(jié)果保留1位小數(shù)).

分析反應(yīng)體系相當(dāng)于有2個過程：

Ⅰ.2N2O5(g)?4NO2(g)＋O2(g)；

Ⅱ.4NO2(g)?2N2O4(g).

利用理想氣體狀態(tài)方程pV＝nRT，當(dāng)T、V恒定時(shí)，壓強(qiáng)和物質(zhì)的量呈正比例關(guān)系，所以可以將分壓直接看成物質(zhì)的量(便于計(jì)算)；通過表2數(shù)據(jù)，當(dāng)時(shí)間t＝∞時(shí)，才能建立起上面2個過程的平衡狀態(tài)，如圖3所示.

圖3

三式聯(lián)立解得，x＝18.8 mol，y＝26.4 mol.本題中N、O元素守恒的方程式化簡后相同，只能算是一個獨(dú)立的條件，所以找出了另一個比較隱蔽的獨(dú)立已知條件——平衡時(shí)氣體物質(zhì)總量.所以

此題的順利解決也給教師命制此類試題帶來了幾點(diǎn)重要啟示：1)恒溫、恒容前提下，題目中出現(xiàn)的已知、未知可以全是壓強(qiáng)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(dú)立的已知條件(否則無法解答).

變式某溫度下，N2O5氣體在一容積固定的容器中發(fā)生如下反應(yīng)：

Ⅰ.2N2O5(g)＝4NO2(g)＋O2(g)(慢反應(yīng))ΔH＜0.

Ⅱ.2NO2(g)?N2O4(g)(快反應(yīng)) ΔH＜0.

體系總壓強(qiáng)p(總)和p(O2)隨時(shí)間的變化如圖4所示.

圖4

(1)圖中表示O2壓強(qiáng)變化的曲線是________(填“甲”或“乙”).

(2)已知N2O5分解的反應(yīng)速率v＝0.12×p(N2O5)(kPa·h－1)，t＝10 h時(shí)，p(N2O5)＝_____kPa，v＝____kPa·h－1(結(jié)果保留2位小數(shù)，下同).

(3)該溫度下2NO2(g)?N2O4(g)反應(yīng)的平衡常數(shù)Kp＝______kPa－1(Kp為以分壓表示的平衡常數(shù)).

分析本題將高考試題中的表格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為了更加抽象的圖象數(shù)據(jù)，對學(xué)生能力的要求也進(jìn)一步提高了(這也是高考的趨勢之一).反應(yīng)Ⅰ為整個反應(yīng)的決速步，且中間用“＝”連接，表示時(shí)間無窮大(平衡)時(shí)N2O5能完全分解.起始時(shí)，p(N2O5)＝53.8 kPa，平衡時(shí)p(總)＝94.7 kPa.

(1)起始時(shí)，只加入N2O5，所以O(shè)2的分壓應(yīng)由0開始.故曲線乙表示氧氣的壓強(qiáng)變化.

(2)觀察反應(yīng)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(shí)，

代入速率方程

(3)利用前面的解題模型分析如圖5所示.

圖5

三式聯(lián)立解得x＝28 mol，y＝39.8 mol.

化學(xué)試題的命制不外乎以下兩種思路，一種是突出特性，一種是體現(xiàn)共性.所有的試題都在共性中體現(xiàn)特性.一道典型試題，換個角度思考往往會得到一類試題的通用模型.模型的深度運(yùn)用，往往又突出了證據(jù)推理的核心素養(yǎng).就這樣在不斷深入探索下，學(xué)生的成績得到了提高，同時(shí)化學(xué)知識也轉(zhuǎn)化成了化學(xué)核心素養(yǎng).