試題導向下的高中化學動力學教學研究

河北 韓萬中

化學熱力學解決的問題是化學反應的自發(fā)性、方向或反應的限度，但是這種情況中反應的可能性不等于反應的實際情況；而化學動力學研究化學反應速率及其反應條件對反應速率的影響，揭示反應的具體過程，即反應歷程，也就是描述了反應用時、反應途徑，從而達到熱力學指定的那種狀態(tài)。

以研究化學反應速率為主要內容的化學動力學內容在各版本教材中的設置一直較為簡略，多為事實性知識或實驗探究得出的定性結論，理論分析呈現(xiàn)不足。2003年4月教育部頒發(fā)的《普通高中化學課程標準(實驗)》將活化能引入中學教學，提出學生應“知道活化能的含義及其對化學反應速率的影響”，使化學反應速率的相關教學有了一定的理論性。但人教版舊教材只是對催化劑可降低活化能的作用給出簡單的說明，再無其他具體講解內容。在教學過程中，很多師生常將總反應當作基元反應看待，將總反應的活化能看作活化分子與反應物分子的能量差值，使教與學在不經(jīng)意間走進誤區(qū)。2014年《國務院關于深化考試招生制度改革的實施意見》對高考內容改革提出了新的時代要求，2018年頒布《普通高中化學課程標準(2017年版)》及其在2020年的修訂版(以下簡稱《課程標準》)中，增加了“知道化學反應是有歷程的”條目，2019年人教版教材中優(yōu)化增補了基元反應、反應機理和過渡態(tài)理論等介紹，這不僅完善了化學動力學內容，同時還為引領學生進行本源性思考化學反應速率問題提供了新的維度和視角，培養(yǎng)了學生的宏觀辨識與微觀探析等化學學科核心素養(yǎng)。

2015年全國卷Ⅰ、海南卷化學分別出現(xiàn)了速率方程及反應歷程圖像，其中均含有過渡態(tài)，是國家啟動高考考試改革傳遞的一個信號，隨后植入的反應歷程、基元反應、速率方程等試題情境及信息如雨后春筍一樣出現(xiàn)在?？肌⒏呖荚囶}中，考查學生的理解辨析、定量分析及系統(tǒng)思維能力。

《中國高考評價體系》中明確指出高考評價體系將“引導教學”納入核心功能，應對這些理論性較強的問題，只憑教材中那一點知識是根本不夠的，教師系統(tǒng)地講授大學一年級普通化學的相關知識也不現(xiàn)實。本文嘗試以幾道典型試題為線索，在分析問題、解決問題中，嵌入一些相對陌生的概念、理論，幫助學生搭建基于《課程標準》的化學動力學基本認知結構，在不加重學生學習負擔的基礎上實現(xiàn)對該模塊知識的深度理解，培養(yǎng)學生的能力與核心素養(yǎng)。

1.明確“化學反應是有歷程的”

人教版舊教材中盡管有碰撞理論的介紹，但學生還是普遍認為化學反應是從反應物到產物一蹴而就的，沒有考慮到反應的微觀過程和路徑。當試題中出現(xiàn)CH4與Cl2發(fā)生光取代反應有C2H6的生成等問題時學生就會感到困惑，冥思之后或許會感到化學反應可能不像化學方程式表述的始末態(tài)那樣簡單。

【例1】甲烷與氯氣在光照條件下發(fā)生取代反應的部分機理和能量變化如下：

鏈增長：

……

下列說法錯誤的是

( )

A.Cl2的鍵能為242.7 kJ·mol-1

B.鏈增長過程中可能產生·CH2Cl、·CHCl2、·CCl3等自由基

C.鏈終止反應的活化能一般較大

D.在鏈終止的過程中，還可能會生成少量的乙烷

【參考答案】C

圖1 氯自由基與甲烷反應生成一氯甲烷的反應勢能變化圖

2.指向速率方程

人教版教材中將單位時間內反應物濃度的減少值或生成物濃度的增加值的絕對值稱為化學反應速率。在介紹化學平衡時指出，當可逆反應的正反應速率與逆反應速率相等時，反應物和生成物的濃度都不再改變，說明化學反應達到平衡狀態(tài)，平衡狀態(tài)時體系中組分的濃度不再改變，從定義中的方法求得的化學反應速率為零，而實際的正、逆反應速率卻不為零，這是很多學生提出的疑問。這里涉及兩種速率的表示，以定義中方法求得的反應速率實質上是一種平均速率，是指反應在某一時段內的快慢；而實際的反應速率則屬于瞬時速率，是指反應在某一時刻的速率，當反應處于平衡狀態(tài)時間段內，平均反應速率為零，但瞬時速率大于零。

①科研小組測得380℃時該反應的c(NO2)、c(CO)、生成CO2的速率[v(CO2)]的關系如表所示：

c(CO)/(mol·L-1)0.0250.050.025c(NO2)/(mol·L-1)0.040.040.12v(CO2)/(mol·L-1·s-1)2.2×10-44.4×10-46.6×10-4

則該溫度下的反應速率常數(shù)k=________。

Ⅱ.略，這兩個反應中活化能較小的是________。

【參考答案】①0.22 L·mol-1·s-1②2NO2NO Ⅱ

【解析】①表1數(shù)據(jù)表明CO和NO2的濃度均會影響反應速率，設該反應的正反應速率方程為v=kcx(NO2)·cy(CO)，將表格中相應數(shù)據(jù)代入有2.2×10-4=k×0.04x×0.025y、4.4×10-4=k×0.04x×0.05y、6.6×10-4=k×0.12x×0.025y，解得x=1，y=1，k=0.22 L·mol-1·s-1。

(2)濃度、溫度及催化劑影響反應速率

【例3】(2020·全國卷Ⅱ·28節(jié)選)天然氣的主要成分為CH4，一般還含有C2H6等烴類，是重要的燃料和化工原料。

①設反應開始時的反應速率為r1，甲烷的轉化率為α時的反應速率為r2，則r2=________r1。

②對于處于初期階段的該反應，下列說法正確的是________。

A.增加甲烷濃度，r增大

B.增加H2濃度，r增大

C.乙烷的生成速率逐漸增大

D.降低反應溫度，k減小

【參考答案】①(1-α) ②AD

3.指向實際化工生產中的復雜反應

(1)平行反應

【例4】乙烯直接氧化法生產環(huán)氧乙烷的主反應：

副反應：

ΔH3

研究發(fā)現(xiàn)，溫度T在490～620 K范圍內，乙烯的分壓p(C2H4)在0.000 2 Mpa～0.003 Mpa范圍內，上述三個反應的速率r分別滿足下列方程：

。

【參考答案】降低 根據(jù)速率方程，升高溫度時，r3增大最多，即反應③增速最多，導致產物中環(huán)氧乙烷選擇性降低。

(2)連串反應

【例5】十氫萘是具有高儲氫密度的氫能載體，經(jīng)歷“十氫萘(C10H18)→四氫萘(C10H12)→萘(C10H8)”的脫氫過程釋放氫氣。已知：

(3)溫度335℃，在恒容密閉反應器中進行高壓液態(tài)十氫萘(1.00 mol)催化脫氫實驗，測得C10H12和C10H8的產率x1和x2(以物質的量分數(shù)計)隨時間變化關系，如圖2所示。

圖2

①在8 h時，反應體系內氫氣的量為________mol(忽略其他副反應)。

②x1顯著低于x2的原因是

。

【參考答案】①1.951

②催化劑顯著降低了C10H12到C10H8的活化能，反應生成的C10H12迅速轉變?yōu)镃10H8，使C10H12不能積累

【解析】該化工原理為典型的連串反應，C10H12為中間產物。根據(jù)圖像中產物產率隨時間的變化趨勢，說明兩反應均未達到平衡狀態(tài)，需從動力學角度入手。中間產物C10H12之所以保持較低產率的原因在于第二步反應活化能小、反應速率快，C10H12很快轉化為C10H8，正因如此C10H8產率一直在增加，相同時間內，C10H12的產率x1顯著低于C10H8的產率x2。