“在變化中找不變量”巧解速率平衡計(jì)算
——以2023年山東高考20題為例

徐增慧

(山東省諸城市教育科學(xué)研究院)

化學(xué)反應(yīng)原理壓軸大題是山東省落實(shí)新課標(biāo)實(shí)施新高考以來,高考化學(xué)試卷中的必考題型,該題目能很好地考查學(xué)生提取信息、發(fā)現(xiàn)問題、發(fā)現(xiàn)隱藏規(guī)律,創(chuàng)造性地運(yùn)用不同方法發(fā)散地、逆向地解決問題等關(guān)鍵能力,但是該題得分率一直較低,成為復(fù)習(xí)備考中比較難啃的“硬骨頭”,特別是其中的相關(guān)計(jì)算更是成為學(xué)生的“丟分題”。鑒于此,本文重點(diǎn)以2023年山東卷20題中速率平衡計(jì)算為例,探討有關(guān)計(jì)算問題的解題策略:在“變化中找不變量”——巧用原子守恒或平衡常數(shù)或固定配比等在解題中的具體應(yīng)用,以期對(duì)2024屆高三學(xué)生的復(fù)習(xí)有所助益,提高學(xué)生高考得分。

一、高考要求

“變化觀念與平衡思想”是五大化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)之一。《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》(2017年版2020年修訂)核心素養(yǎng)水平中指出“變化觀念與平衡思想”水平4:要求能運(yùn)用對(duì)立統(tǒng)一思想和定性定量結(jié)合的方式揭示化學(xué)變化的本質(zhì)特征。

在《中國(guó)高考評(píng)價(jià)體系》知識(shí)獲取能力群中也明確要求學(xué)生“能夠從情境中提取有效信息;能夠從中發(fā)現(xiàn)問題;透過現(xiàn)象看到本質(zhì),發(fā)現(xiàn)隱藏規(guī)律或原理”。在思維認(rèn)知能力群中要求“能夠獨(dú)立思考,通過邏輯思辨,發(fā)表獨(dú)立的、有創(chuàng)造性的看法;能夠從多個(gè)視角觀察、思考同一個(gè)問題;能夠靈活地、創(chuàng)造性地運(yùn)用不同方法,發(fā)散地、逆向地解決問題”。

要解決高考題中速率平衡的相關(guān)計(jì)算,需要學(xué)生核心素養(yǎng)水平達(dá)到4級(jí)要求,能在復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)情境中獲取關(guān)鍵信息,梳理問題脈絡(luò),基于“變化觀念與平衡思想”,利用好原子守恒或平衡常數(shù)或固定配比等,根據(jù)實(shí)際問題建構(gòu)解題模型,解決問題。

二、近四年山東高考真題分析

縱觀2020—2023年,每年的高考原理大題幾乎都為12分,設(shè)置問題7-8問,重點(diǎn)考查蓋斯定律、速率方程、速率影響因素、平衡常數(shù)、平衡移動(dòng)等重點(diǎn)學(xué)科知識(shí)。試題載體新穎,信息量大,陌生度高,是試卷中區(qū)分度較高的題目,尤其是速率平衡的相關(guān)計(jì)算難度更大,其核心素養(yǎng)考查水平達(dá)到了4級(jí)要求。要求學(xué)生根據(jù)所學(xué)必備知識(shí),調(diào)用理解與辨析、分析與推測(cè)、探究與創(chuàng)新、歸納與論證等關(guān)鍵能力,靈活應(yīng)用平衡分析的基本思維模型才能創(chuàng)造性地解決問題。

在解決速率平衡的相關(guān)計(jì)算題目時(shí),一般學(xué)生的思路是利用化學(xué)平衡的思維模型——“三段式”分析解決,但是該類高考試題往往涉及多個(gè)相互關(guān)聯(lián)的復(fù)雜的化學(xué)平衡體系,在考試中需要關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù),特別容易出錯(cuò),且計(jì)算量較大,不可取;但是通過對(duì)近四年山東卷高考題的持續(xù)研究我們發(fā)現(xiàn),若學(xué)生能分析問題,邏輯靈活運(yùn)用化學(xué)學(xué)科大觀念“變化觀念與平衡思想”,嘗試“在變化中找不變量”——巧用原子守恒或平衡常數(shù)或固定配比等,則能夠在考場(chǎng)上快速準(zhǔn)確完成速率平衡計(jì)算部分的解答。本文以2023年山東高考20題的速率平衡相關(guān)計(jì)算分析為例,與各位同仁分享。

三、典例分析

研究發(fā)現(xiàn),在反應(yīng)Ⅰ,Ⅱ中,H+僅對(duì)反應(yīng)Ⅰ有催化加速作用;反應(yīng)Ⅰ的速率遠(yuǎn)大于反應(yīng)Ⅱ,近似認(rèn)為反應(yīng)Ⅰ建立平衡后始終處于平衡狀態(tài)。忽略水的電離,其濃度視為常數(shù)。

【題干信息加工】該部分設(shè)問很好地考查了學(xué)生獲取加工新信息的能力以及分析問題,邏輯思辨,通過多視角觀察,創(chuàng)造性地解決問題等關(guān)鍵能力。下面通過信息解讀來展示一下如何進(jìn)行信息加工處理,及如何“在變化中尋求不變量”——化學(xué)平衡常數(shù),并利用“守恒法”巧解該題。

獲取信息一:“反應(yīng)Ⅰ是快反應(yīng),速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于反應(yīng)Ⅱ,且建立平衡后始終處于平衡狀態(tài)”,這意味著反應(yīng)Ⅰ先達(dá)到平衡,反應(yīng)Ⅱ在反應(yīng)Ⅰ平衡后需要反應(yīng)一段時(shí)間才能到達(dá)平衡狀態(tài),且在這段時(shí)間里反應(yīng)Ⅰ處于平衡狀態(tài)。

獲取信息二:“忽略水的電離,其濃度視為常數(shù)”這句話意味著在求算反應(yīng)Ⅰ的平衡常數(shù)時(shí)不需要把水放入常數(shù)表達(dá)式中,同時(shí)對(duì)解題信息比較敏感的學(xué)生會(huì)馬上聯(lián)想到,在本題計(jì)算中可能會(huì)用到反應(yīng)Ⅰ的平衡常數(shù)。

獲取信息三:圖像信息。通過讀圖可以發(fā)現(xiàn)CO濃度在t1時(shí)刻達(dá)到峰值(特殊點(diǎn)),說明此時(shí)反應(yīng)Ⅰ達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài);而CO2濃度一直是增大的,說明反應(yīng)Ⅱ正向進(jìn)行,直至達(dá)到平衡狀態(tài)。

【思維過程】

【解題技巧】尋找不變量:根據(jù)“原子守恒”,化學(xué)變化中原子總量不變;溫度不變化學(xué)平衡常數(shù)不變。

【建構(gòu)模型】

四、遷移應(yīng)用

【練習(xí)1】(2022年山東卷,20題節(jié)選)利用γ-丁內(nèi)酯(BL)制備1,4-丁二醇(BD),反應(yīng)過程中伴有生成四氫呋喃(THF)和1-丁醇(BuOH)的副反應(yīng),涉及反應(yīng)如下:

已知:①反應(yīng)Ⅰ為快速平衡,可認(rèn)為不受慢反應(yīng)Ⅱ、Ⅲ的影響;②因反應(yīng)Ⅰ在高壓H2氛圍下進(jìn)行,故H2壓強(qiáng)近似等于總壓?；卮鹣铝袉栴}:

(1)以5.0×10-3mol BL或BD為初始原料,在493 K、3.0×103kPa的高壓H2氛圍下,分別在恒壓容器中進(jìn)行反應(yīng)。

(2)初始條件同上。xi表示某物種i的物質(zhì)的量與除H2外其他各物種總物質(zhì)的量之比,xBL和xBD隨時(shí)間t變化關(guān)系如圖甲所示。實(shí)驗(yàn)測(cè)得X

甲

【參考答案】0.08

【思維過程】

【練習(xí)2】(2021年山東卷,20題節(jié)選)

2-甲氧基-2-甲基丁烷(TAME)常用作汽油添加劑。在催化劑作用下,可通過甲醇與烯烴的液相反應(yīng)制得,體系中同時(shí)存在如下反應(yīng):

(2)為研究上述反應(yīng)體系的平衡關(guān)系,向某反應(yīng)容器中加入1.0 mol TAME,控制溫度為353 K,測(cè)得TAME的平衡轉(zhuǎn)化率為α。已知反應(yīng)Ⅲ的平衡常數(shù)Kx3=9.0,則平衡體系中B的物質(zhì)的量為________mol,反應(yīng)Ⅰ的平衡常數(shù)Kx1=________。

同溫同壓下,再向該容器中注入惰性溶劑四氫呋喃稀釋,反應(yīng)Ⅰ的化學(xué)平衡將逆向移動(dòng)(填“正向移動(dòng)”“逆向移動(dòng)”或“不移動(dòng)”);平衡時(shí),A與CH3OH物質(zhì)的量濃度之比c(A)∶c(CH3OH)=________。

【思維過程】