方蘭 孟凡盛
從實質(zhì)上看,2021年高考化學圖像題之“新”體現(xiàn)在對考生的關鍵能力的重點考查,同時提高了試卷對優(yōu)秀考生的區(qū)分度,使整套化學試卷具有更科學的難度梯度。從形式上看,2021年高考全國卷化學圖像題之“新”體現(xiàn)在兩點,一是通過改變縱橫坐標的物理量,使坐標圖像呈簡潔美觀的線性關系;二是通過創(chuàng)設兩個橫坐標或兩個縱坐標,使坐標圖像中的有效化學信息更豐富。
一、溶液中的離子平衡:考查信息整理能力和數(shù)據(jù)處理能力
【例1】(2021年全國甲卷第12題)已知相同溫度下,Ksp(BaSO4)
下列說法正確的是( )
A.曲線①代表BaCO3的沉淀溶解曲線
B.該溫度下BaSO4的Ksp(BaSO4)值為1.0×10-10
C.加適量BaCl2固體可使溶液由a點變到b點
D. c(Ba2+)=10-5.1時兩溶液中=10y2-y1
【解析】根據(jù)坐標圖中縱橫坐標的化學意義,將圖中的信息作如下整理:BaCO3、BaSO4均為難溶物,飽和溶液中-lg[c(Ba2+)]+{-lg[c(SO42-)]}=-lg[c(Ba2+)×c(SO42-)]= -lg[Ksp(BaSO4)],同理可知溶液中-lg[c(Ba2+)]+{-lg[c(CO32-)]}=-lg[Ksp(BaCO3)],因Ksp(BaSO4) 由題可知,曲線上的點均為飽和溶液中微粒濃度關系,由上述分析可知,曲線①為BaSO4的沉淀溶解曲線,A錯誤;曲線①為BaSO4溶液中-lg[c(Ba2+)]與-lg[c(SO42-)]的關系,由圖可知,當溶液中-lg[c(Ba2+)]=3時,-lg[c(SO42-)]=7,則-lg[Ksp(BaSO4)]=7+3=10,因此Ksp(BaSO4)=1.0×10-10,B正確;向飽和BaSO4溶液中加入適量BaCl2固體后,溶液中c(Ba2+)增大,根據(jù)溫度不變Ksp(BaSO4)不變知,溶液中c(SO42-)將減小,因此a點將沿曲線①向左上方移動,C錯誤;由圖可知,當溶液中c(Ba2+)=10-5.1時,兩溶液中==10y1-y2,D錯誤。 【答案】B 【例2】(2021年全國乙卷第13題)HA是一元弱酸,難溶鹽MA的飽和溶液中c(M+)隨c(H+)而變化,M+不發(fā)生水解。實驗發(fā)現(xiàn),298 K時c2(M+)~c(H+)為線性關系,如下圖中實線所示。
下列敘述錯誤的是( )
A.溶液pH=4時,c(M+)<3.0×10-4mol·L-1
B. MA的溶度積Ksp(MA)=5.0×10-8
C溶液pH=7時,c(M+)+c(H+)=c(A-)+c(OH-)
D. HA的電離常數(shù)Ka(HA)≈2.0×10-4
【解法一】逐項整理信息,進而判斷正誤。
A項,當pH=4時,c(H+)=1×10-4 mol/L,此時圖像縱坐標:c2(M+)=7.5×10-8(mol/L)2,對數(shù)據(jù)進行開平方處理:c(M+)=<3.0×10-4 mol/L,A正確。
B項,正確整理圖像中起點的化學信息:當c(H+)→0,
c(OH-)→∞,抑制作用使A-幾乎不水解,有c(M+)=c(A-),結合溶度積的計算公式進行數(shù)據(jù)處理為:Ksp(MA)=c(M+)·c(A-) =c2(M+)=5×10-8 (mol/L)2,B正確。
C項,關鍵是整理化學信息并判斷:能否用HA調(diào)溶液的pH?由于弱酸根A-水解,溶液pH>7,必須加酸調(diào)溶液的pH至7,若用HA調(diào)溶液的pH,c(H+)增大,c(A-)增大,結合溶度積Ksp(MA)=c(M+)·c(A-) 判斷c(M+)應減小,但圖像顯示c2(M+)增大。故不是用HA調(diào)pH,而是要用另一種酸HnB調(diào)pH,電荷守恒應為:c(H+)+c(M+)=c(OH-)+c(A-) +n·c(Bn-) ,C錯誤。
D項,先整理化學信息:由電離常數(shù)公式Ka(HA)= c(H+)·c(A-)/c(HA)知,當c(A-)=c(HA)時,Ka(HA)=c(H+)。由物料守恒可得:c(M+)=c(A-)+c(HA),c(M+)=2c(A-),c2(M+)=
c(M+)×c(M+)=c(M+)×2c(A-)=2Ksp。結合B項進行數(shù)據(jù)處
理:c2(M+)=2Ksp=2×5×10-8(mol/L)2=1×10-7(mol/L)2,此時圖像的橫坐標為c(H+)=20×10-5mol/L,即Ka(HA)= 2.0×10-4mol/L,D正確。
【解法二】先整理信息推出線性方程,再根據(jù)線性方程進行計算。根據(jù)題干中“298 K時c2(M+)~c(H+)為線性關系”,對圖像中的信息進行整理,由物料守恒知:c(M+)=c(HA)+c(A-),c2(M+)=c(M+)·c(HA)+c(M+)·c(A-)= c(M+)·c(H+)·c(A-)/Ka(HA)+Ksp(MA),得到線性方程c2(M+)= c(H+)·Ksp(MA)/Ka(HA)+Ksp(MA)。
由圖可知pH=4,即c(H+)=10×10-5 mol/L時,c2(M+)=
7.5×10-8 (mol/L)2,c(M+)= < 3.0×10-4 mol/L,
A正確;當c(H+)=0 mol/L時,c2(M+)=5.0×10-8,結合線性方
程可知5.0×10-8=0×Ksp(MA)/Ka(HA)+Ksp(MA)=Ksp(MA),B
正確;設調(diào)pH所用的酸為HnX,則結合電荷守恒可知c(M+)+c(H+)=c(A-)+c(OH-)+ nc(Xn-),題給等式右邊缺陰離子部分nc(Xn-),C錯誤;當c(H+)=20×10-5 mol/L時,c2(M+)=10.0×10-8 (mol/L)2,結合Ksp(MA)=5.0×10-8代入線性方程有10.0×10-8=2×10-4×+5.0×10-8,解得Ka(HA)≈2.0×10-4,D正確。
【答案】C
二、化學反應原理:綜合考查信息整理能力和演繹推理能力
【例3】(2021年全國甲卷第28題)二氧化碳催化加氫制甲醇,有利于減少溫室氣體二氧化碳。回答下列問題:
(1)二氧化碳加氫制甲醇的總反應可表示為:
CO2(g)+3H2(g)=CH3OH(g)+H2O(g)
該反應一般認為通過如下步驟來實現(xiàn):
①CO2(g)+H2(g)=CO(g)+H2O(g) ? ΔH1=+41 J·mol-1
②CO(g)+2H2(g)=CH3OH(g)? ? ?ΔH2=-90 kJ·mol-1
總反應的ΔH= kJ·mol-1;若反應①為慢反應,下列示意圖中能體現(xiàn)上述反應能量變化的是(填標號),判斷的理由是。
(2)合成總反應在起始物n(H2)/n(CO2)=3時,在不同條件下達到平衡,設體系中甲醇的物質(zhì)的量分數(shù)為x(CH3OH),在t=250℃下的x(CH3OH)~p、在p=5×105 Pa下的x(CH3OH)~t如圖所示。
①用各物質(zhì)的平衡分壓表示總反應的平衡常數(shù),表達式Kp=;
②圖中對應等壓過程的曲線是,判斷的理由是;
③當x(CH3OH)=0.10時,CO2的平衡轉化率α= ,反應條件可能為 或。
【解析】(1)第一空考查蓋斯定律在新情景中的靈活應用。①+②可得二氧化碳加氫制甲醇的總反應的焓變:ΔH=(+41 kJ·mol-1)+(-90 kJ·mol-1)=-49 kJ·mol-1。第二空和第三空考查了“語言解碼能力”和“語言表達能力”:總反應為放熱反應,因此生成物總能量低于反應物總能量,據(jù)此淘汰B和D;反應①為慢反應,則反應①的活化能高于反應②,淘汰C,示意圖中能體現(xiàn)反應能量變化的是A項。
(2)①二氧化碳加氫制甲醇的總反應為CO2(g)+3H2(g)= CH3OH(g)+H2O(g),利用各物質(zhì)的平衡分壓表示總反應的平衡常數(shù)表達式為:Kp=。
②高考坐標圖像題中首次設計兩個物理量不同的橫坐標,通過曲線a和b與兩個橫坐標的對應關系的判斷及理由,科學地考查了閱讀理解能力、信息轉化能力、抽象思維能力、語言表達能力等??偡磻驗榉艧岱磻?,恒壓升高溫度時平衡向吸熱的方向逆向移動,體系中x(CH3OH)逐漸減小,因此圖中對應等壓過程的曲線是b;總反應正向為氣體分子數(shù)減小,恒溫增大壓強時平衡向氣體分子數(shù)減小的正向移動,體系中x(CH3OH)逐漸增大,因此圖中對應等溫過程的曲線是a。
③考查數(shù)據(jù)處理能力和化學計算能力。設起始n(CO2)=1 mol,n(H2)=3mol,則:
3H2(g)+CO2(g)CH3OH(g)+H2O(g)
起始(mol)? ? ? ? ? 3? ? ? ? ? ? ?1? ? ? ? ? ?? ?0? ? ? ? ? ? ? 0
轉化(mol)? ? ? ? ? ? 3x? ? ? ? ? ? x? ? ? ? ? ? ? ? ? ?x? ? ? ? ? ? ? x
平衡(mol)? ? ? ? ? ? ?3-3x ? 1-x? ? ? ? x? ? ? ? ? ? ? x
當平衡時,x(CH3OH)=0.10,=0.1,解得 x=mol,平衡時CO2的轉化率α=×100%=33.3%。
題目進一步考查了信息整理能力和歸納概括能力。由圖可知,滿足平衡時x(CH3OH)=0.10的反應條件有“縱坐標0.10與等壓曲線b的交點”和“縱坐標0.10與等溫曲線a的交點”的壓強和溫度?!翱v坐標0.10與等壓曲線b的交點”的壓強是題干中的5×105 Pa,讀下面的橫坐標可知溫度為210 ℃;“縱坐標0.10與等溫曲線a的交點”的壓強讀上面的橫坐標可知為9×105 Pa,溫度是題干中的250 ℃。
【答案】(1)-49 A ΔH1為正值,ΔH2和ΔH為負值,反應①活化能大于反應②的
(2)①②b? ? 總反應ΔH<0,升高溫度時平衡向逆反應方向移動,甲醇的物質(zhì)的量分數(shù)變小? ? ③33.3% 5×105 Pa,210 ℃? ? 9×105 Pa,250 ℃