構(gòu)建認(rèn)知模型 提升解題能力
——以化學(xué)平衡圖像試題為例

■鄭州外國(guó)語(yǔ)學(xué)校 宋正華 韓 青 陳 寧

化學(xué)反應(yīng)平衡理論是中學(xué)化學(xué)三大化學(xué)原理之一,化學(xué)平衡是考查數(shù)形結(jié)合思想的重要載體?；瘜W(xué)平衡圖像中的物質(zhì)百分含量—時(shí)間圖像、物質(zhì)百分含量-溫度/壓強(qiáng)圖像和速率—溫度/壓強(qiáng)圖像等知識(shí)對(duì)遷移能力要求較高。本文以化學(xué)平衡圖像試題為例構(gòu)建相關(guān)模型,來幫助同學(xué)們提升自主解決問題的能力。

一、模型認(rèn)知與模型構(gòu)建

1.物質(zhì)百分含量/轉(zhuǎn)化率—時(shí)間的變化(如圖1所示,C%代表生成物的百分含量)。

圖1

此類題目解題的關(guān)鍵:先拐先平衡,反應(yīng)速率快(即加入催化劑、反應(yīng)溫度較高或壓強(qiáng)較大等影響反應(yīng)速率的因素)。圖1①a比b先平衡,且平衡時(shí)C%不變,說明平衡不移動(dòng),由此改變的條件是a中加入催化劑或者反應(yīng)前后氣體分子數(shù)相同的反應(yīng)增大壓強(qiáng)。由圖1②可得出溫度T2＞T1,且T2時(shí)生成物的百分含量高于T1時(shí)生成物的百分含量,由此說明正反應(yīng)ΔH＞0。由圖1③可得出p1＞p2,p1時(shí)生成物的百分含量高于p2時(shí)生成物的百分含量,所以反應(yīng)前氣體計(jì)量系數(shù)之和大于反應(yīng)后氣體計(jì)量系數(shù)之和。該類題目亦可逆向思維,即給出信息畫相應(yīng)圖像。

圖1中三個(gè)圖像的共同特點(diǎn):橫坐標(biāo)為時(shí)間,縱坐標(biāo)是生成物的百分含量,通過圖像拐點(diǎn)的橫、縱坐標(biāo)大小比較,得出反應(yīng)速率的快慢,依據(jù)外界因素對(duì)反應(yīng)速率的影響原理,判斷同一圖像中外界條件的差異(溫度的相對(duì)高低、壓強(qiáng)的相對(duì)大小),進(jìn)而判斷反應(yīng)的熱效應(yīng)和反應(yīng)前后氣體分子數(shù)的變化情況等。縱坐標(biāo)為原料轉(zhuǎn)化率或某物種濃度的分析與其相似。

例1已知可逆反應(yīng)aA(g)+bB(g)cC(g) ΔH,在密閉容器中進(jìn)行。圖2表示在不同時(shí)刻t、溫度T和壓強(qiáng)p下B物質(zhì)在混合氣體中的體積分?jǐn)?shù)φ(B)的變化情況。下列推斷中正確的是( )。

圖2

A.p1＜p2,T1＞T2,a+b＜c,ΔH＞0

B.p1＜p2,T1＞T2,a+b＞c,ΔH＞0

C.p1＞p2,T1＜T2,a+b＜c,ΔH＜0

D.p1＞p2,T1＜T2,a+b＞c,ΔH＜0

解析:當(dāng)圖中有三個(gè)變量時(shí),運(yùn)用控制變量,將圖中曲線分成兩個(gè)對(duì)照組:(T1、p1)和(T1、p2),(T1、p1)和(T2、p1)。解答該題運(yùn)用“定一議一”和“先拐先平衡”的原則。

由(T1、p1)和(T1、p2)兩條曲線可以看出:①溫度相同(T1),壓強(qiáng)為p2時(shí)達(dá)到平衡所需的時(shí)間短,即反應(yīng)速率大,所以p2＞p1;②壓強(qiáng)較大(即壓強(qiáng)為p2)時(shí)對(duì)應(yīng)的φ(B)較大,說明增大壓強(qiáng)平衡逆向移動(dòng),則a+b＜c。

由(T1、p1)和(T2、p1)兩條曲線可以看出:①壓強(qiáng)相同(p1),溫度為T1時(shí)達(dá)到平衡所需的時(shí)間短,即反應(yīng)速率大,所以T1＞T2;②溫度較高(即溫度為T1)時(shí)對(duì)應(yīng)的φ(B)較小,說明升高溫度平衡正向移動(dòng),故正反應(yīng)為吸熱反應(yīng),ΔH＞0。

答案:A

2.速率—溫度/壓強(qiáng)(v-T/p)圖像(如圖3所示)。

圖3

此類曲線表示隨著時(shí)間變化壓強(qiáng)或溫度逐漸增大(高),正逆反應(yīng)速率受濃度和壓強(qiáng)或溫度的雙重影響,圖中隱去了時(shí)間坐標(biāo)。正逆反應(yīng)速率交點(diǎn),即二者相等,表明反應(yīng)處于平衡狀態(tài);交點(diǎn)之后判斷增大壓強(qiáng)或升高溫度后平衡的移動(dòng)方向。如圖3所示,隨著壓強(qiáng)的增大,正、逆反應(yīng)速率均增大,且逆反應(yīng)速率增大的幅度大于正反應(yīng)速率增大的幅度,即v逆＞v正,平衡逆向移動(dòng),說明正反應(yīng)方向?yàn)闅怏w分子數(shù)目增大的方向;隨著溫度的升高,正、逆反應(yīng)速率均增大,且逆反應(yīng)速率增大的幅度大于正反應(yīng)速率增大的幅度,即v逆＞v正,平衡逆向移動(dòng),說明正反應(yīng)為放熱反應(yīng)。

例2在密閉容器里通入A、B兩種氣體,發(fā)生可逆反應(yīng)A(g)+2B(g)mC(g)+nD(g)。在一定條件下測(cè)得反應(yīng)速率變化情況如圖4所示,下列說法正確的是( )。

圖4

A.正反應(yīng)吸熱,m+n＜3

B.正反應(yīng)吸熱,m+n＞3

C.正反應(yīng)放熱,m+n＞3

D.正反應(yīng)放熱,m+n＜3

解析:對(duì)于v-T圖像,隨著溫度升高,v(正)＞v(逆),說明正反應(yīng)方向是吸熱反應(yīng);對(duì)于v-p圖像,隨著壓強(qiáng)增大,v(逆)＞v(正),說明正反應(yīng)方向是氣體分子總數(shù)增大的方向,m+n＞3。

答案:B

3.恒溫線或恒壓線(如圖5所示,C%為生成物的百分含量)。

圖5

在分析此類變化時(shí),需要控制變量。首先分析一條曲線中縱坐標(biāo)隨橫坐標(biāo)的變化,得出一條結(jié)論,然后再確定橫坐標(biāo)相同時(shí),不同曲線間的縱坐標(biāo)大小關(guān)系,繼而得到第二條結(jié)論。

例3可逆反應(yīng)mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g),圖6表示其生成物C的百分含量(C%)與壓強(qiáng)、溫度的關(guān)系,分析圖中曲線,可以得出的結(jié)論是( )。

圖6

A.正反應(yīng)吸熱,m+n＜p+q

B.正反應(yīng)吸熱,m+n＞p+q

C.正反應(yīng)放熱,m+n＞p+q

D.正反應(yīng)放熱,m+n＜p+q

解析:首先判斷曲線的整體變化趨勢(shì),隨著溫度的增加,C%增大,說明正反應(yīng)吸熱。其次,判斷溫度相同時(shí),增大壓強(qiáng)C%增大,說明平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng),即正反應(yīng)方向是氣體分子總數(shù)減小的方向,即m+n＞p+q。

答案:B

二、模型應(yīng)用

盡管高考中化學(xué)平衡圖像形式多種多樣,然而知識(shí)與能力要求保持相對(duì)穩(wěn)定,需要做到對(duì)圖像基本模型的遷移和綜合應(yīng)用。

1.有最值的圖像。

例4在容積相同的五個(gè)恒容密閉容器中,分別充入1 mol N2和3 mol H2,在不同的恒定溫度下,均發(fā)生反應(yīng)N2(g)+3H2(g)2NH3(g),并在t1秒時(shí)分別測(cè)定五個(gè)容器中NH3的體積分?jǐn)?shù),結(jié)果如圖7所示。

圖7

A、B、C、D、E五點(diǎn)中達(dá)到平衡狀態(tài)的點(diǎn)為____。

解析:由圖像可知正反應(yīng)為放熱反應(yīng)。最高點(diǎn)C在中間,A點(diǎn)和B點(diǎn)因?yàn)闇囟鹊?、反?yīng)速率慢沒有達(dá)到平衡狀態(tài);C點(diǎn)比A點(diǎn)和B點(diǎn)接近平衡狀態(tài),因只做了幾組實(shí)驗(yàn),測(cè)溫不連續(xù),因此無法確定C點(diǎn)是否處于平衡狀態(tài);D、E兩點(diǎn)溫度高、反應(yīng)速率快,且NH3的體積分?jǐn)?shù)與C相比下降了,符合溫度高的先拐先平衡。所以D、E確定是平衡狀態(tài)。按照前文所述的模型建構(gòu)方法可畫出圖8,結(jié)論更加一目了然。

圖8

答案:D、E

例5將1 mol N2和3 mol H2通入恒容密閉容器中,發(fā)生反應(yīng)N2(g)+3H2(g)2NH3(g),在反應(yīng)過程中NH3的體積分?jǐn)?shù)隨溫度的變化如圖9所示。

圖9

A、B、C、D、E五點(diǎn)中達(dá)到平衡狀態(tài)的點(diǎn)為____。

解析:按照前面的模型構(gòu)建方法,不難得出五點(diǎn)中只有C點(diǎn)為平衡狀態(tài)。

答案:C點(diǎn)

2.多反應(yīng)共存的恒溫/恒壓線圖像綜合應(yīng)用。

例6以CO2、H2為原料合成CH3OH涉及的主要反應(yīng)如下:

①CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) ΔH1=-49.5 kJ·mol-1;

②CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)ΔH2=-90.4 kJ·mol-1;

③CO2(g)+H2(gCO(g)+H2O(g)ΔH3=+40.9 kJ·mol-1。

不同壓強(qiáng)下,按照n(CO2)∶n(H2)=1∶3投料,實(shí)驗(yàn)測(cè)定CO2的平衡轉(zhuǎn)化率和CH3OH的平衡產(chǎn)率隨溫度的變化關(guān)系如圖10所示。

圖10

其中縱坐標(biāo)表示CO2平衡轉(zhuǎn)化率的是圖_____(填“甲”或“乙”);壓強(qiáng)p1、p2、p3由大到小的順序?yàn)開____;圖乙中T1溫度時(shí),三條曲線幾乎交于一點(diǎn)的原因是_____。

解析:合成CH3OH的兩個(gè)反應(yīng)均為放熱反應(yīng),故隨著溫度升高,CH3OH的平衡產(chǎn)率單調(diào)降低,便可得出圖甲表示CH3OH的平衡產(chǎn)率;固定溫度,改變壓強(qiáng),壓強(qiáng)越大,甲醇的平衡產(chǎn)率越大,所以圖乙表示CO2的平衡轉(zhuǎn)化率變化,CO2參與的反應(yīng)一個(gè)為吸熱反應(yīng),一個(gè)為放熱反應(yīng),CO2的平衡轉(zhuǎn)化率隨溫度變化不是單調(diào)的,說明不同反應(yīng)階段起主導(dǎo)作用的反應(yīng)不同,圖像顯示初始階段CO2的平衡轉(zhuǎn)化率隨溫度升高而降低,說明反應(yīng)①占主導(dǎo),后來隨溫度升高CO2的平衡轉(zhuǎn)化率又升高,只有反應(yīng)③吸熱,說明反應(yīng)③占主導(dǎo),且反應(yīng)前后氣體分子數(shù)相等,所以三條曲線會(huì)交于一點(diǎn)。

答案:乙 p1＞p2＞p3T1時(shí)以反應(yīng)③為主,反應(yīng)③前后氣體分子數(shù)相等,壓強(qiáng)改變對(duì)平衡沒有影響。

點(diǎn)撥:將化學(xué)平衡抽象理論知識(shí)圖像化,圖像新穎信息量大,考查綜合能力強(qiáng),既考查考生對(duì)化學(xué)平衡基礎(chǔ)知識(shí)的理解,又考查考生讀題識(shí)圖能力。引導(dǎo)考生學(xué)會(huì)常規(guī)模型,并將常規(guī)模型應(yīng)用到新情境新信息的題目中,提高考生真實(shí)解決問題的能力,在學(xué)習(xí)的過程中收獲知識(shí)并形成化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

練習(xí):

1.在密閉容器中充入10 mol CO和8 mol NO,發(fā)生反應(yīng)2CO(g)+2NO(g)N2(g)+2CO2(g) ΔH=-747 kJ·mol-1。圖11為平衡時(shí)NO的體積分?jǐn)?shù)與溫度、壓強(qiáng)的關(guān)系。若在M點(diǎn)對(duì)反應(yīng)容器降溫,同時(shí)縮小體積至體系壓強(qiáng)增大,重新達(dá)到的化學(xué)平衡狀態(tài)可能是圖中 A～F 點(diǎn)中的( )。

圖11

A.A點(diǎn) B.D點(diǎn)

C.C點(diǎn) D.F點(diǎn)

2.在一定條件下CO(g)和H2(g)發(fā)生反應(yīng)CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)。在容積固定且均為1 L的a、b、c三個(gè)密閉容器中分別充入1 mol CO(g)和2 mol H2(g),三個(gè)容器的反應(yīng)溫度分別為T1、T2、T3(依次升高)且恒定不變,測(cè)得反應(yīng)均進(jìn)行 到5 min時(shí)CH3OH(g)的濃度如圖12所示。下列說法正確的是( )。

圖12

A.a容器中,0～5 min時(shí)平均反應(yīng)速率v(H2)=0.04 mol·L-1·min-1

B.反應(yīng)均進(jìn)行到5 min時(shí),三個(gè)容器中一定達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)的是b

C.當(dāng)三個(gè)容器內(nèi)的反應(yīng)都達(dá)到化學(xué)平衡時(shí),CO轉(zhuǎn)化率最大的是a

D.保持溫度和容積不變,若開始時(shí)向b容器中充入0.6 mol CO(g)、1.2 mol H2(g)和0.4 mol CH3OH(g),則反應(yīng)開始時(shí)v(正)＜v(逆)

答案:1.D 2.C

注:本文為河南省基礎(chǔ)教育教學(xué)研究項(xiàng)目“基于模型認(rèn)知核心素養(yǎng)的高中化學(xué)深度學(xué)習(xí)研究”(課題編號(hào):JCJYC210701044)階段性研究成果之一。