高中化學(xué)“U(V)型”圖像題的研究分析

徐凱飛 苗懷儀

(吉林省長(zhǎng)春市實(shí)驗(yàn)中學(xué))

新高考下,化學(xué)試題對(duì)批判性思維的考查逐漸普及,尤其是一些結(jié)構(gòu)不良問題的分析與探索。此類試題涵蓋面較為廣泛,答案也往往比較開放,很多學(xué)生反饋這類試題很難,筆者針對(duì)特定模型的“U(V)型”圖或“倒U(V)型”圖類試題進(jìn)行了匯總分析。

一、化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡

(一)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)化率的圖像變化

不同溫度下,“反應(yīng)物以一定流速通過催化劑”或“反應(yīng)經(jīng)相同時(shí)間”,反應(yīng)物A的轉(zhuǎn)化率隨溫度的變化關(guān)系一定溫度下,反應(yīng)混合氣體以一定流速通過催化劑,反應(yīng)物A的轉(zhuǎn)化率與另一反應(yīng)物氣體X的濃度變化關(guān)系一定溫度下,氣體反應(yīng)物以不同的流速經(jīng)過反應(yīng)催化裝置,反應(yīng)物A的轉(zhuǎn)化率與氣體流速的關(guān)系T1之前,為非平衡態(tài),轉(zhuǎn)化率隨速率的增大而增大,速率增大的原因可能為:①溫度升高,速率增大;②溫度升高,催化劑活性增強(qiáng)。T1之后,轉(zhuǎn)化率下降,其原因可能為:①T1之后仍為非平衡態(tài):催化劑活性降低導(dǎo)致速率降低幅度超過由于溫度升高使速率增大的幅度;②T1之后為平衡態(tài),該反應(yīng)為放熱反應(yīng),升溫導(dǎo)致反應(yīng)平衡逆向移動(dòng);③副反應(yīng)(競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng))程度增大氣體X為另外一種反應(yīng)氣體,隨氣體X的濃度的遞增,A的轉(zhuǎn)化率逐漸上升,當(dāng)氣體X濃度過高時(shí),A轉(zhuǎn)化率下降的原因可能為氣體X濃度過大導(dǎo)致氣體A與催化劑接觸面積減小;或氣體X與某產(chǎn)物發(fā)生副反應(yīng)氣體流速過小,則生成物不能及時(shí)從催化劑表面脫附,占據(jù)活性位點(diǎn),減少了反應(yīng)物與催化劑的活性位點(diǎn)的接觸,反應(yīng)速率降低。氣體流速過大,則會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)物不能充分地與催化劑接觸,反應(yīng)不充分,以至于轉(zhuǎn)化率降低

非平衡點(diǎn)的轉(zhuǎn)化率大小取決于化學(xué)反應(yīng)速率,而速率的主要影響因素為溫度、催化劑、濃度、壓強(qiáng)和接觸面積等,其中催化劑是高頻考點(diǎn),而催化劑的催化效率與溫度、接觸面積等因素有關(guān)。所以溫度的改變可能會(huì)造成“過猶不及”的結(jié)果,則解決此類試題的思路如圖1:

圖1

【例1】(2019年江蘇卷,15題節(jié)選)在恒壓、NO和O2的起始濃度一定的條件下,催化反應(yīng)相同時(shí)間。測(cè)得不同溫度下NO轉(zhuǎn)化為NO2的轉(zhuǎn)化率如圖中實(shí)線所示(圖2中虛線表示相同條件下NO的平衡轉(zhuǎn)化率隨溫度的變化)。下列說法正確的是

( )

圖2

B.圖中X點(diǎn)所示條件下,延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間能提高NO的轉(zhuǎn)化率

C.圖中Y點(diǎn)所示條件下,增加O2的濃度不能提高NO的轉(zhuǎn)化率

【分析】

圖中虛線代表平衡轉(zhuǎn)化率,實(shí)線代表實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)化率,兩線合并時(shí)說明當(dāng)前處于平衡狀態(tài),根據(jù)平衡態(tài)時(shí)升溫導(dǎo)致轉(zhuǎn)化率降低,說明平衡逆向移動(dòng),可以判斷該反應(yīng)為放熱反應(yīng);Y點(diǎn)根據(jù)勒夏特列原理,增大氧氣濃度,平衡正移,可以提高NO轉(zhuǎn)化率。X點(diǎn)為非平衡態(tài),若延長(zhǎng)時(shí)間可以達(dá)到平衡。

(二)平衡轉(zhuǎn)化率/產(chǎn)率/百分含量的圖像變化

雙平衡體系中,物質(zhì)A在兩組反應(yīng)方程式中均有參與,改變影響平衡的某一因素(溫度或壓強(qiáng)),平衡發(fā)生移動(dòng),物質(zhì)A的轉(zhuǎn)化率變化圖像一定溫度下,按不同投料比加入反應(yīng)物,平衡后所得生成物的體積分?jǐn)?shù)與投料比的關(guān)系圖根據(jù)勒夏特列原理,改變某一因素后,平衡會(huì)發(fā)生移動(dòng),但兩組反應(yīng)移動(dòng)后,對(duì)α(A)的影響結(jié)果是相反的。一組移動(dòng)后α(A)增加,而另一組減少。此時(shí)我們要結(jié)合圖像進(jìn)行平衡移動(dòng)程度大小的判斷當(dāng)反應(yīng)物的投料比等于化學(xué)反應(yīng)方程式的系數(shù)比時(shí),生成物的體積分?jǐn)?shù)最大

【例2】(2018年全國(guó)Ⅱ卷,27題節(jié)選)反應(yīng)中催化劑活性會(huì)因積碳反應(yīng)而降低,同時(shí)存在的消碳反應(yīng)則使積碳量減少。相關(guān)數(shù)據(jù)如表:

積碳反應(yīng)CH4(g)C(s)+2H2(g)消碳反應(yīng)CO2(g)+C(s)2CO(g)ΔH/kJ·mol-175172活化能(kJ·mol-1)催化劑X3391催化劑Y4372

在反應(yīng)進(jìn)料氣組成、壓強(qiáng)及反應(yīng)時(shí)間相同的情況下,某催化劑表面的積碳量隨溫度的變化關(guān)系如圖3所示。升高溫度時(shí),下列關(guān)于積碳反應(yīng)、消碳反應(yīng)的平衡常數(shù)(K)和速率(v)的敘述正確的是________(填標(biāo)號(hào))。

圖3

A.K積、K消均增加

B.v積減小、v消增加

C.K積減小、K消增加

D.v消增加的倍數(shù)比v積增加的倍數(shù)大

【分析】圖像中的積碳量先增加后減小也體現(xiàn)出了溫度變化對(duì)平衡移動(dòng)的影響,升溫積碳反應(yīng)和消碳反應(yīng)平衡均正移,碳的量的變化相反,600℃之前積碳速率大于消碳速率,600℃之后消碳速率大于積碳速率,說明升溫消碳反應(yīng)速率變化倍數(shù)更大。

(三)化學(xué)反應(yīng)速率的圖像變化

多因素控制v(速率)T(溫度)圖像v(速率)t(時(shí)間)圖像T1之前,反應(yīng)速率隨溫度升高而增大;T1之后,反應(yīng)速率隨溫度上升而下降。原因可能為:①有酶參與的反應(yīng),溫度高酶會(huì)失去活性;②有催化劑參與的反應(yīng),升高溫度,催化劑活性降低;③有氣體參與的液相反應(yīng),升高溫度,氣體的溶解度減小;④加熱時(shí)易分解的物質(zhì)(H2O2、NH3·H2O等)分解;⑤加熱時(shí)易揮發(fā)的物質(zhì)(濃硝酸、濃鹽酸)大量揮發(fā);⑥加熱時(shí)易水解的物質(zhì)轉(zhuǎn)化為膠體或沉淀綜合題干信息,進(jìn)行各因素影響程度大小的判斷:升高溫度,可以提高速率常數(shù),從而提高化學(xué)反應(yīng)速率;但在某些題中,存在一些反常規(guī)的信息,“升溫也可能使速率降低”,速率先升高后降低的現(xiàn)象用各因素對(duì)速率的影響程度大小來分析Ⅰ.自催化反應(yīng)例如H2SO4酸化的高錳酸鉀與草酸反應(yīng),生成了MnSO4,生成物也可以作為催化劑,提高反應(yīng)速率。所以t1之前,速率逐漸變大。t1之后,濃度對(duì)反應(yīng)速率的影響成為主要因素,反應(yīng)物濃度降低,導(dǎo)致反應(yīng)速率減慢。Ⅱ.放熱反應(yīng)t1之前,反應(yīng)放熱,溫度升高使速率逐漸變大。t1之后由于濃度降低導(dǎo)致速率降低的影響更大

圖4

【答案】升高溫度,k增大使v逐漸提高,但α降低使v逐漸下降。當(dāng)ttm后,k增大對(duì)v的提高小于α引起的降低。

【分析】結(jié)構(gòu)不良問題的思辨能力的考查?；谒俾史匠痰谋磉_(dá)式分析,尋找證據(jù),建立聯(lián)系,找出因果關(guān)系,得出相關(guān)結(jié)論。學(xué)生所掌握的規(guī)律是溫度升高,速率變大,但圖像的結(jié)果是tm后再升溫速率減小,學(xué)生產(chǎn)生認(rèn)知沖突,而問題的關(guān)鍵就是解決這個(gè)認(rèn)知沖突。

二、電解質(zhì)溶液

(一)電導(dǎo)率圖像

溶液的導(dǎo)電能力取決于電荷濃度,即離子濃度和離子所帶電荷數(shù)。在電解質(zhì)溶液中,由于元素是守恒的,所以離子所帶電荷數(shù)不會(huì)改變,分析時(shí)從離子數(shù)目和溶液體積變化著手。

弱電解質(zhì)溶解稀釋圖像離子反應(yīng)最高點(diǎn)之前:未達(dá)電離平衡狀態(tài),弱電解質(zhì)分子的電離速率大于離子的結(jié)合速率,導(dǎo)致水中的離子濃度增大,電導(dǎo)率增強(qiáng);最高點(diǎn)之后:達(dá)到電離平衡狀態(tài),繼續(xù)加水,電離平衡雖然正移,但離子濃度降低,電導(dǎo)率下降“弱”+“弱”→“強(qiáng)”最高點(diǎn)之前:溶液為弱電解質(zhì)溶液,微弱電離,離子濃度小,加入另一弱電解質(zhì)反應(yīng)生成強(qiáng)電解質(zhì),完全電離,離子濃度變大,電導(dǎo)率上升;最高點(diǎn)為恰好反應(yīng)點(diǎn);最高點(diǎn)之后:弱電解質(zhì)溶液過量,離子濃度再下降,電導(dǎo)率變小“強(qiáng)”+“強(qiáng)”→“弱”+“沉”最低點(diǎn)之前:溶液為強(qiáng)電解質(zhì),完全電離,離子濃度大,加入另一種強(qiáng)電解質(zhì)生成沉淀及弱電解質(zhì),離子濃度變小,電導(dǎo)率下降;最低點(diǎn)為恰好反應(yīng)點(diǎn);最低點(diǎn)之后:強(qiáng)電解質(zhì)過量,離子濃度再提升,電導(dǎo)率增大

【例4】一定溫度下,將一定質(zhì)量的冰醋酸加水稀釋過程中,溶液的導(dǎo)電能力變化如圖5所示,下列說法正確的是

( )

圖5

A.a、b、c三點(diǎn)溶液的pH:c

B.a、b、c三點(diǎn)CH3COOH的電離程度:a

C.用濕潤(rùn)的pH試紙測(cè)量a處溶液的pH,測(cè)量結(jié)果偏大

【分析】b點(diǎn)之前向冰醋酸中加水,醋酸不斷溶解、電離,直至達(dá)到平衡點(diǎn)b,此時(shí)離子濃度最大,即H+、CH3COO-濃度達(dá)到最大值,pH最小。b點(diǎn)之后,不斷加水稀釋,電離程度逐漸變大,但離子濃度逐漸減小。

(二)離子濃度圖像

中和滴定過程中,水的電離程度與所加溶液體積的關(guān)系必備知識(shí)—水的電離的影響因素抑制:降溫、酸、堿、強(qiáng)酸的酸式鹽、電離程度大于水解程度的弱酸酸式鹽;促進(jìn):升溫、能水解的正鹽、水解程度大于電離程度的弱酸酸式鹽、能與水反應(yīng)的物質(zhì)(Na、NaH、Mg3N2等)常溫下,純水中c水(H+)=c水(OH-)=1×10-7 mol/L,a點(diǎn)之前c水(H+)<1×10-7 mol/L說明溶質(zhì)為抑制水的電離的酸或堿或電離大于水解的酸式鹽,以NaOH溶液滴定醋酸為例,醋酸對(duì)水的電離起抑制作用;外加NaOH中和之后生成醋酸鈉,醋酸對(duì)水的電離的抑制作用逐漸減弱,醋酸鈉對(duì)水的電離的促進(jìn)作用逐漸增強(qiáng);到達(dá)第一個(gè)c水(H+)=1×10-7 mol/L點(diǎn)時(shí),兩項(xiàng)作用剛好抵消,此時(shí)恰好為中性點(diǎn);達(dá)到b點(diǎn)時(shí),酸堿恰好完全中和,此時(shí)只有醋酸鈉的促進(jìn)作用,水的電離程度最大,此時(shí)溶液呈堿性,溶液中的OH-全部來源于水;之后再加入NaOH,堿電離出的OH-抑制水的電離,c水(H+)又逐漸減少,c點(diǎn)溶液呈堿性,且堿性比b點(diǎn)強(qiáng)

【例5】常溫下,向20.00 mL 0.1 mol·L-1HA溶液中滴入0.1 mol·L-1NaOH溶液,溶液中由水電離出的氫離子濃度的負(fù)對(duì)數(shù)[-lgc水(H+)]與所加NaOH溶液體積的關(guān)系如圖6所示,下列說法中不正確的是

( )

圖6

B.M、P兩點(diǎn)溶液對(duì)應(yīng)的pH=7

【分析】N點(diǎn)水的電離程度最大,所以是恰好完全反應(yīng)生成NaA,此時(shí)呈堿性,再加NaOH才能達(dá)到P點(diǎn),故P點(diǎn)不是中性點(diǎn),M點(diǎn)為中性點(diǎn)。要求學(xué)生能夠根據(jù)本圖像進(jìn)行思維轉(zhuǎn)換,建立與pH變化圖像的聯(lián)系。

三、連續(xù)型反應(yīng)

一定溫度下,向溶液B中通入氣體A或加入物質(zhì)A,體系中物質(zhì)C的量的變化HNO3→Fe(NO3)3→Fe(NO3)2Ca(OH)2→CaCO3→Ca(HCO3)2H2SO3→H2SO4→HClO

有關(guān)連續(xù)反應(yīng)的例子不勝枚舉,體現(xiàn)了由量變到質(zhì)變的化學(xué)反應(yīng)特點(diǎn)。高考中側(cè)重對(duì)新情境問題的考查,需要學(xué)生們結(jié)合圖像變化和物質(zhì)的性質(zhì),找出合理證據(jù),分析作答。

【例6】(2023年湖北模擬節(jié)選)工業(yè)生產(chǎn)中,氧化劑的實(shí)際使用量和理論計(jì)算量之間的比值稱為配氧率。如圖7是配氧率對(duì)碘單質(zhì)回收率的影響曲線圖。試解釋配氧率選擇112～113之間的原因。

圖7

【答案】配氧率過低,I-不能完全轉(zhuǎn)化為碘單質(zhì);配氧率過高,可能發(fā)生副反應(yīng),使碘單質(zhì)進(jìn)一步被氧化為碘酸根,或耗費(fèi)大量氧化劑。

四、其他

熱化學(xué)能量變化圖像學(xué)生能夠識(shí)別圖像,知道圖像中各符號(hào)的意義,并能夠應(yīng)用計(jì)算。提示學(xué)生注意區(qū)分“活化能”與“總鍵能” “鍵能”與“能量”以及各物理量與反應(yīng)熱的定量關(guān)系,強(qiáng)化學(xué)生對(duì)概念的理解與應(yīng)用電化學(xué)混合型電解質(zhì)分階段電解學(xué)生要明確放電順序及離子含量,確定各階段的電解類型(電解電解質(zhì)、放氧生酸、放氫生堿、電解水)、具體的電極反應(yīng)方程式、電子轉(zhuǎn)移定量關(guān)系的同時(shí)也要結(jié)合鹽類的水解等知識(shí)綜合分析綜合情景問題圖像此類試題要從題干中獲取有效信息,將橫縱坐標(biāo)通過化學(xué)反應(yīng)規(guī)律建立聯(lián)系,結(jié)合關(guān)鍵信息,找出變量的“雙刃劍”式影響

【例7】(2023年1月浙江卷,13題節(jié)選)甲酸(HCOOH)是重要的化工原料。工業(yè)廢水中的甲酸及其鹽,通過離子交換樹脂(含固體活性成分R3N,R為烷基)因靜電作用被吸附回收,其回收率(被吸附在樹脂上甲酸根的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù))與廢水初始pH關(guān)系如圖8(已知甲酸Ka=1.8×10-4),下列說法不正確的是

( )

圖8

C.廢水初始pH<2.4,隨pH下降,甲酸的電離被抑制,與R3NH+作用的HCOO-數(shù)目減少

D.廢水初始pH>5,離子交換樹脂活性成分主要以R3NH+形態(tài)存在

【分析】有效信息:因靜電作用被吸附回收,回收率(被吸附在樹脂上甲酸根的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù))。

命題方向:本題利用新情境,創(chuàng)新性地考查了弱酸弱堿的電離平衡及其影響因素的分析,學(xué)生要做到提取有效信息,靈活運(yùn)用必備知識(shí),對(duì)圖像的變化進(jìn)行辨析。

綜上,此類試題通常具有如下特點(diǎn):

考查方式關(guān)鍵能力學(xué)科核心素養(yǎng)思維方法哲學(xué)思想解釋闡述,對(duì)學(xué)生“知其所以然”的考查圖表類信息的獲取與加工;邏輯推理與論證;批判性思維與辨證能力證據(jù)推理與模型認(rèn)知;變化觀念與平衡思想邏輯思維;批判性思維物質(zhì)變化規(guī)律:①量變到質(zhì)變;②矛盾的對(duì)立統(tǒng)一規(guī)律

從新高考的考查方向和考查方式上看,高考試題更加關(guān)注學(xué)生對(duì)信息的整合、對(duì)原因的分析和對(duì)結(jié)論的評(píng)價(jià)。新高考U型或倒U型試題的設(shè)問通常為主觀的文字描述,難度較大。因此在高三復(fù)習(xí)過程中,我們應(yīng)致力于培養(yǎng)學(xué)生“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”的學(xué)科核心素養(yǎng)和推理論證能力,注重知識(shí)的邏輯關(guān)系,注重思維的邏輯性,讓學(xué)生真正做到“知其然,知其所以然”。