復(fù)雜反應(yīng)高考題化簡(jiǎn)解題方法探究

李傳雄 都君華

摘要：?以?xún)傻缽?fù)雜反應(yīng)的高考化學(xué)試題為例，對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)解題方法，運(yùn)用把串聯(lián)反應(yīng)里部分反應(yīng)歸零舍棄的“歸零化簡(jiǎn)法”、把平行反應(yīng)里兩個(gè)及兩個(gè)以上平行反應(yīng)歸并為一個(gè)反應(yīng)的“歸一化簡(jiǎn)法”，可將復(fù)雜反應(yīng)問(wèn)題化繁為簡(jiǎn)、化難為易，進(jìn)而提高解題效率，以訓(xùn)練學(xué)生的綜合素質(zhì)。

關(guān)鍵詞：?復(fù)雜反應(yīng);?高考化學(xué)試題簡(jiǎn)解;?歸零化簡(jiǎn)法;?歸一化簡(jiǎn)法

文章編號(hào)：?1005-6629（2021）09-0087-05

中圖分類(lèi)號(hào)：?G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：?B

高考評(píng)價(jià)體系由一核、四層、四翼組成[1]，其中，“一核”是高考的核心功能，服務(wù)選才是對(duì)素質(zhì)教育中高考核心功能的一種概括。為此，在化學(xué)高考中會(huì)設(shè)置部分難度較大的試題以體現(xiàn)區(qū)分度。近幾年，涉及復(fù)雜反應(yīng)的難題有逐漸增多之勢(shì)。復(fù)雜反應(yīng)一般是指兩個(gè)或兩個(gè)以上的基元反應(yīng)組合而成的反應(yīng)，大多數(shù)反應(yīng)需要經(jīng)歷若干個(gè)步驟才能完成，均屬于復(fù)雜反應(yīng)。故利用復(fù)雜反應(yīng)里物質(zhì)之間的多重關(guān)系設(shè)計(jì)的高考試題具有綜合性強(qiáng)、區(qū)分度高，能較好地考查學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，值得關(guān)注與研究。本文針對(duì)某些涉及復(fù)雜反應(yīng)的高考試題，如何著力快速、有效、準(zhǔn)確地進(jìn)行分析解答，總結(jié)并歸納為歸零化簡(jiǎn)法和歸一化簡(jiǎn)法兩種方法，與同行們分享。

1??歸零化簡(jiǎn)法

[2020年化學(xué)高考（山東卷）18題]探究CH3OH合成反應(yīng)化學(xué)平衡的影響因素，有利于提高CH3OH的產(chǎn)率。以CO2、?H2為原料合成CH3OH涉及的主要反應(yīng)如下：

Ⅰ.?CO2（g）+3H2（g）CH3OH（g）+H2O（g）

ΔH1=-49.5kJ·mol-1

Ⅱ.?CO（g）+2H2（g）CH3OH（g）

ΔH2=-90.4kJ·mol-1

Ⅲ.?CO2（g）+H2（g）CO（g）+H2O（g）

ΔH3

回答下列問(wèn)題：?（1）略。（2）一定條件下，向體積為V?L的恒容密閉容器中通入1mol?CO2和3mol?H2發(fā)生上述反應(yīng)，達(dá)到平衡時(shí)，容器中CH3OH（g）為amol，CO為bmol，此時(shí)H2O（g）的濃度為????????mol·L-1（用含a、?b、?V的代數(shù)式表示，下同），反應(yīng)Ⅲ的平衡常數(shù)為????????。

答案：?c（H2O）=a+bVmol/L、?K=b（a+b）（1-a-b）（3-3a-b）

1.1??標(biāo)準(zhǔn)方法解題

1.1.1??根據(jù)化學(xué)方程式求解

設(shè)由反應(yīng)Ⅰ生成的CH3OH（g）為xmol，由反應(yīng)Ⅱ生成的CH3OH（g）為ymol，則由題意知：?x+y=a。因?yàn)槠鹗纪ㄈ氲奈镔|(zhì)為1mol?CO2和3mol?H2，沒(méi)有通入CO，平衡體系中的CO應(yīng)為反應(yīng)Ⅲ生成、反應(yīng)Ⅱ消耗之后剩余的，根據(jù)反應(yīng)Ⅱ消耗ymol?CO、余下的CO為bmol得知，由反應(yīng)Ⅲ生成的CO（g）應(yīng)為（b+y）mol。用圖1展示分析過(guò)程。

從上述反應(yīng)過(guò)程看，H2O（g）由反應(yīng)Ⅰ、?Ⅲ生成，平衡時(shí)n（H2O）=x+（b+y），整理有n（H2O）=（x+y）+b=（a+b）mol，故H2O（g）的濃度為c（H2O）=a+bVmol/L，第一空解答完成。反應(yīng)Ⅰ、?Ⅲ消耗CO2，消耗的CO2物質(zhì)的量n反應(yīng)（CO2）=x+（b+y），整理有n反應(yīng)（CO2）=（x+y）+b=（a+b）mol，反應(yīng)達(dá)平衡時(shí)剩

余的n（CO2）=（1-a-b）mol;同理，由于反應(yīng)Ⅰ、?Ⅱ、?Ⅲ均消耗H2，消耗的H2物質(zhì)的量n反應(yīng)（H2）=3x+2y+（b+y），整理有n反應(yīng)（H2）=3（x+y）+b=（3a+b）mol，反應(yīng)達(dá)平衡時(shí)剩余的n（H2）=（3-3a-b）mol。綜上分析，反應(yīng)Ⅲ達(dá)平衡時(shí)各反應(yīng)物的物質(zhì)的量分別為n（CO2）=（1-a-b）mol、?n（H2）=（3-3a-b）mol、?n（CO）=bmol、?n（H2O）=（a+b）mol，對(duì)應(yīng)的濃度分別為c（CO2）=1-a-bVmol/L、?c（H2）=3-3a-bVmol/L、?c（CO）=bVmol/L、?c（H2O）=a+bVmol/L，反應(yīng)Ⅲ的平衡常數(shù)為K=c（CO）×c（H2O）c（CO2）×c（H2）=b（a+b）（1-a-b）（3-3a-b），第二空完成。

1.1.2??列數(shù)學(xué)方程式求解

向容器里加入CO2和H2，反應(yīng)后容器里有CO2、?H2、?CH3OH、?CO、?H2O，根據(jù)質(zhì)量守恒定律列數(shù)學(xué)方程式求解，求解思路如圖2所示。

設(shè)平衡體系里的H2O（g）、?CO2、?H2物質(zhì)的量分別為xmol、?ymol、?zmol，根據(jù)碳、氧、氫原子守恒列方程式有：

a+b+y=1×1

a+b+x+2y=1×2

4a+2x+2z=3×2??解之得x=a+by=1-a-bz=3-3a-b

即平衡體系里各反應(yīng)物的物質(zhì)的量有n（H2O）=（a+b）mol、?n（CO2）=（1-a-b）mol、?n（H2）=（3-3a-b）mol。其他計(jì)算同1.1.1求解過(guò)程。

1.2??歸零化簡(jiǎn)法解題

1.2.1??歸零化簡(jiǎn)法解題過(guò)程

觀察反應(yīng)Ⅰ、?Ⅱ、?Ⅲ，三者存在Ⅰ=Ⅱ+Ⅲ的關(guān)系，反應(yīng)起始加入的物質(zhì)是CO2、?H2，反應(yīng)達(dá)平衡時(shí)體系存在的物質(zhì)為CO2、?H2、?CH3OH（g）、?CO、?H2O（g），即生成物為CH3OH（g）、?CO、?H2O（g），即使“沒(méi)有”反應(yīng)Ⅱ，由反應(yīng)Ⅰ、Ⅲ也能由CO2、?H2轉(zhuǎn)化生成CH3OH（g）、?CO、?H2O（g）。若將反應(yīng)Ⅱ“忽略”歸零后再分析，則不用算可“看”出結(jié)果。其思維過(guò)程可用圖3展示。

因?yàn)榉磻?yīng)Ⅰ生成了a?mol?H2O，反應(yīng)Ⅲ生成b?mol?H2O，所以平衡時(shí)H2O的物質(zhì)的量為n（H2O）=（a+b）mol;因?yàn)榉磻?yīng)Ⅰ消耗a?mol?CO2、反應(yīng)Ⅲ消耗b?mol?CO2，所以平衡時(shí)CO2的物質(zhì)的量為n（CO2）=（1-a-b）mol;因?yàn)榉磻?yīng)Ⅰ消耗3a?mol?H2、反應(yīng)Ⅲ消耗b?mol?H2，所以平衡時(shí)H2的物質(zhì)的量為n（H2）=（3-3a-b）mol。再由題給信息n（CO）=b，達(dá)平衡時(shí)反應(yīng)Ⅲ體系里各反應(yīng)物的物質(zhì)的量有n（CO2）=（1-a-b）mol、?n（H2）=（3-3a-b）mol、?n（CO）=bmol、?n（H2O）=（a+b）mol。其他計(jì)算過(guò)程同標(biāo)準(zhǔn)方法求解過(guò)程。

1.2.2??歸零化簡(jiǎn)法解題原理

反應(yīng)Ⅰ、?Ⅱ、?Ⅲ關(guān)系為：?Ⅰ=Ⅱ+Ⅲ，是典型的串聯(lián)反應(yīng)。凡是反應(yīng)所產(chǎn)生的物質(zhì)能再起反應(yīng)而生成其他物質(zhì)的，稱(chēng)為串聯(lián)反應(yīng)，或稱(chēng)連續(xù)反應(yīng)[2]。設(shè)A起反應(yīng)生成B，B又起反應(yīng)生成C，這就是由兩個(gè)反應(yīng)組成的串聯(lián)反應(yīng)，可用圖4展示其關(guān)系。

見(jiàn)到上述圖形，很容易讓人想到蓋斯定律。蓋斯定律表明，在一定條件下，化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)熱只與反應(yīng)體系的始態(tài)和終態(tài)有關(guān)，而與反應(yīng)的途徑無(wú)關(guān)[3]。其實(shí)不僅反應(yīng)熱如此，所有狀態(tài)函數(shù)都有這樣的性質(zhì)，只與反應(yīng)體系的始態(tài)和終態(tài)有關(guān)，而與反應(yīng)途徑無(wú)關(guān)。由此思考，研究反應(yīng)體系里反應(yīng)物與生成物的物質(zhì)的量關(guān)系，也可以“忽略”反應(yīng)過(guò)程來(lái)分析，無(wú)論化學(xué)反應(yīng)過(guò)程多么復(fù)雜，反應(yīng)物和生成物中原子的種類(lèi)和數(shù)目不變。串聯(lián)反應(yīng)里物質(zhì)間的轉(zhuǎn)化相當(dāng)于一個(gè)“閉合”通路，以圖4展示的關(guān)系來(lái)看，忽略反應(yīng)Ⅰ，物質(zhì)A可通過(guò)反應(yīng)Ⅱ先行轉(zhuǎn)化生成物質(zhì)B，再由物質(zhì)B通過(guò)反應(yīng)Ⅲ轉(zhuǎn)化生成物質(zhì)C，三種物質(zhì)A、?B、?C的物質(zhì)的量關(guān)系可只通過(guò)反應(yīng)Ⅱ、Ⅲ來(lái)分析，也就是說(shuō)，若三種物質(zhì)A、?B、?C的物質(zhì)的量關(guān)系滿(mǎn)足了反應(yīng)Ⅱ、?Ⅲ的轉(zhuǎn)化關(guān)系，則必然滿(mǎn)足反應(yīng)Ⅰ的轉(zhuǎn)化關(guān)系。這種忽略串聯(lián)反應(yīng)里的某些反應(yīng)，將其“歸零”后分析反應(yīng)物、生成物間物質(zhì)的量關(guān)系的方法稱(chēng)之為歸零化簡(jiǎn)法。

以歸零化簡(jiǎn)法來(lái)分析2020年化學(xué)高考（山東卷）18題，可以分三種組合來(lái)理解容器中的三個(gè)反應(yīng)：?組合①，可認(rèn)為，容器里反應(yīng)Ⅱ、?Ⅲ是獨(dú)立反應(yīng)，反應(yīng)Ⅰ是非獨(dú)立反應(yīng)，有反應(yīng)Ⅱ、?Ⅲ必有反應(yīng)Ⅰ，反應(yīng)Ⅱ、?Ⅲ“固定”著反應(yīng)Ⅰ，正如圖4展示那樣，隱藏△ABC的任意一條邊不改變?nèi)切蔚男螤?，三種物質(zhì)A、?B、?C之間的關(guān)系不會(huì)變化。向恒容密閉容器中通入1mol?CO2和3mol?H2，可以認(rèn)為容器中先發(fā)生反應(yīng)Ⅲ，再發(fā)生反應(yīng)Ⅱ，反應(yīng)Ⅰ是反應(yīng)Ⅱ、?Ⅲ進(jìn)行的結(jié)果;組合②，也可認(rèn)為容器里發(fā)生的是反應(yīng)Ⅰ、?Ⅱ。因?yàn)橛孝?Ⅰ-Ⅱ，所以反應(yīng)Ⅲ不是一個(gè)“獨(dú)立”的反應(yīng)，而是反應(yīng)Ⅰ之后，再由反應(yīng)Ⅱ向逆反應(yīng)方向進(jìn)行的結(jié)果;組合③，類(lèi)似分析，認(rèn)為容器里只發(fā)生了反應(yīng)Ⅰ、?Ⅲ。因?yàn)橛孝?Ⅰ-Ⅲ，所以反應(yīng)Ⅱ不是一個(gè)“獨(dú)立”的反應(yīng)，只不過(guò)是反應(yīng)Ⅰ、?Ⅲ進(jìn)行的結(jié)果。將上述思維過(guò)程由圖5展示。

以哪一種組合來(lái)計(jì)算，可以根據(jù)題設(shè)內(nèi)容調(diào)整。本題以組合③來(lái)計(jì)算最簡(jiǎn)便。

回頭再看歸零化簡(jiǎn)法，其實(shí)質(zhì)就是抓住反應(yīng)物和生成物，找到一條聯(lián)系反應(yīng)物和生成物的反應(yīng)的方程式“通路”，忽略其他反應(yīng)的方程式，快速解答反應(yīng)物、生成物的物質(zhì)的量關(guān)系問(wèn)題的方法。這種方法有別于1.1.1根據(jù)化學(xué)方程式求解方法，它忽略部分反應(yīng)的方程式，讓反應(yīng)物、生成物之間的物質(zhì)的量關(guān)系更直接。這也有別于根據(jù)質(zhì)量守恒定律1.1.2列數(shù)學(xué)方程式求解方法，質(zhì)量守恒定律求解思路簡(jiǎn)單，但列數(shù)學(xué)方程式計(jì)算較復(fù)雜，特別是多未知數(shù)的方程式組計(jì)算更復(fù)雜，而這里利用一條聯(lián)系反應(yīng)物和生成物的反應(yīng)的方程式“通路”求解，讓學(xué)生有“路”可循，按圖索驥就可以，易學(xué)易用。

1.2.3??歸零化簡(jiǎn)法解題原理應(yīng)用

類(lèi)似問(wèn)題很多，如鹽類(lèi)水解。在氯化銨的水溶液里，存在水的電離平衡Ⅰ.H2OH++OH-、銨根離子的水解平衡Ⅱ.NH+4+H2ONH3·H2O+H+、一水合氨的電離平衡Ⅲ.NH3·H2ONH+4+OH-。不難看出三者轉(zhuǎn)化之間存在有Ⅰ=Ⅱ+Ⅲ關(guān)系，也就是說(shuō)，其實(shí)只有兩個(gè)獨(dú)立的轉(zhuǎn)化，任何兩個(gè)轉(zhuǎn)化關(guān)系聯(lián)合便可以推出第三個(gè)轉(zhuǎn)化關(guān)系。用圖6展示其簡(jiǎn)化后的三種組合，以任意一種組合來(lái)分析氯化銨水溶液里的平衡，都能輕松解決各微粒間的數(shù)量關(guān)系問(wèn)題。

完全反應(yīng)里的串聯(lián)反應(yīng)也可以用歸零化簡(jiǎn)法解決相關(guān)的問(wèn)題，如硫化氫的燃燒反應(yīng)分析，化簡(jiǎn)過(guò)程用圖7展示。

2??歸一化簡(jiǎn)法

2.1??標(biāo)準(zhǔn)方法解題

據(jù)圖8可知，此電化學(xué)裝置為電解池，通入CO2氣體的電極為陰極，通入CH4氣體的電極為陽(yáng)極，固體電解質(zhì)是用來(lái)傳導(dǎo)O2-的，電極反應(yīng)式見(jiàn)表1。

根據(jù)生成的乙烯和乙烷的體積比為2∶1，即物質(zhì)的量之比為2∶1，設(shè)生成的乙烷為1mol，則生成的乙烯為2mol，兩電極上轉(zhuǎn)移的電子為8+2=10mol;根據(jù)電子守恒，可計(jì)算出陰極上消耗的CO2為5mol，用圖9展示其思維過(guò)程。

故若生成的乙烯和乙烷的體積比為2∶1，則消耗的CH4和CO2體積比為6∶5。

2.2??歸一化簡(jiǎn)法解題

2.2.1??歸一化簡(jiǎn)法解題過(guò)程

乙烯和乙烷的體積比為2∶1，即“2C2H4+C2H6”。若將混合物“2C2H4+C2H6”視為純凈物，則其“分子式”為“C6H14”，將對(duì)應(yīng)的兩個(gè)反應(yīng)歸為一個(gè)反應(yīng)，再寫(xiě)出對(duì)應(yīng)的電極反應(yīng)式6CH4-10e-+5O2-C6H14+5H2O，變兩步計(jì)算為一步計(jì)算。其解題思路用圖10展示。

2.2.2??歸一化簡(jiǎn)法解題原理

歸一化簡(jiǎn)法解決的是平行反應(yīng)問(wèn)題。反應(yīng)物能同時(shí)進(jìn)行幾種不同的反應(yīng)，則稱(chēng)為平行反應(yīng)[4]。在平行反應(yīng)中，生成主要產(chǎn)物的反應(yīng)稱(chēng)為主反應(yīng)，其余的反應(yīng)稱(chēng)為副反應(yīng)。在工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常會(huì)有平行反應(yīng)現(xiàn)象，這也是高考題常涉及到這類(lèi)反應(yīng)的原因。設(shè)反應(yīng)物A能按一個(gè)反應(yīng)生成B，同時(shí)又按另一個(gè)反應(yīng)生成C，由這兩個(gè)反應(yīng)組成的平行反應(yīng)可用圖11展示其關(guān)系。

乙烷、乙烯皆為陽(yáng)極氧化產(chǎn)物，電解池里實(shí)際存在兩個(gè)平行反應(yīng)：?Ⅰ.2CH4+2CO2C2H4+2CO+2H2O，Ⅱ.2CH4+CO2C2H6+CO+H2O。若兩個(gè)或多個(gè)平行反應(yīng)以固定比例進(jìn)行時(shí)，則其反應(yīng)物、生成物組成皆固定不變，反應(yīng)物、生成物組合均可以視為純凈物，如此便能將兩個(gè)或多個(gè)平行反應(yīng)歸為一個(gè)反應(yīng)來(lái)解答問(wèn)題，這種方法稱(chēng)之為歸一化簡(jiǎn)法。

2.2.3??歸一化簡(jiǎn)法解題原理應(yīng)用

類(lèi)似問(wèn)題很多，如氯氣和氫氧化鈉溶液反應(yīng)，體系中存在兩個(gè)平行反應(yīng)：?Cl2+2NaOHNaCl+NaClO+H2O，?3Cl2+6NaOH5NaCl+NaClO3+3H2O。當(dāng)兩個(gè)平行反應(yīng)以固定比例進(jìn)行時(shí)，反應(yīng)物Cl2、?NaOH組成固定不變，氧化產(chǎn)物NaClO和NaClO3組成也固定不變，如此便可以將兩個(gè)平行反應(yīng)歸為一個(gè)反應(yīng)來(lái)解決問(wèn)題。

3??結(jié)束語(yǔ)

學(xué)貴有法、得法。按照《中國(guó)高考評(píng)價(jià)體系說(shuō)明》“能夠在正確的思想價(jià)值觀念指導(dǎo)下，合理運(yùn)用科學(xué)的思維方式與方法，有效地整合學(xué)科相關(guān)知識(shí)，運(yùn)用學(xué)科的相關(guān)能力，高質(zhì)量地認(rèn)識(shí)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的綜合品質(zhì)”要求[5]，解決復(fù)雜化學(xué)問(wèn)題，可運(yùn)用化學(xué)原理和思想化繁為簡(jiǎn)、化難為易，著力培養(yǎng)學(xué)生解決問(wèn)題的必備品格與關(guān)鍵能力，訓(xùn)練學(xué)生高質(zhì)量解決問(wèn)題的綜合素養(yǎng)。

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