原子守恒法在有關(guān)多重平衡計(jì)算中的應(yīng)用

夏昌偉

(浙江省杭州市富陽(yáng)區(qū)教育發(fā)展研究中心)

以“一核四層四翼”為核心的《中國(guó)高考評(píng)價(jià)體系》,清晰地詮釋了新高考對(duì)學(xué)科素養(yǎng)的考查要求。學(xué)科素養(yǎng)即學(xué)生在面對(duì)生活實(shí)踐或?qū)W習(xí)探索問(wèn)題情境時(shí),能夠在正確的思想價(jià)值觀念指導(dǎo)下,合理運(yùn)用科學(xué)的思維方法,有效整合學(xué)科相關(guān)知識(shí),運(yùn)用學(xué)科相關(guān)能力,高質(zhì)量地認(rèn)識(shí)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的綜合品質(zhì)?；瘜W(xué)學(xué)科試題的命制,只有遴選合適的生活素材,提煉合理的問(wèn)題情境,才能做到價(jià)值引領(lǐng)、素養(yǎng)導(dǎo)向,有效考查關(guān)鍵能力與必備知識(shí)?！白儚U為寶” “碳中和”以及“氮氧化物治理”等環(huán)境和能源問(wèn)題一直是命題的熱點(diǎn),這些議題均為多反應(yīng)復(fù)雜體系。問(wèn)題解決過(guò)程中均要考慮主副反應(yīng)多重平衡的實(shí)際問(wèn)題,常被用作反應(yīng)原理試題命制的學(xué)術(shù)探索情境,考查學(xué)生應(yīng)對(duì)復(fù)雜問(wèn)題的思維能力和解決問(wèn)題的基本方法。有學(xué)生在練習(xí)的過(guò)程中反饋由于山東高考題經(jīng)常設(shè)置復(fù)雜問(wèn)題情境而找不到準(zhǔn)確的切入點(diǎn)。筆者特以?xún)傻郎綎|高考和一道天津高考題為例,利用守恒法速解多重平衡中的相關(guān)計(jì)算問(wèn)題。

多重平衡指一個(gè)化學(xué)反應(yīng)體系中存在多個(gè)化學(xué)反應(yīng),可以分為兩種類(lèi)型。一種物質(zhì)既可能是某個(gè)反應(yīng)的產(chǎn)物,同時(shí)也可能是其他反應(yīng)的反應(yīng)物,即連續(xù)型;同樣有可能在一定條件下同一反應(yīng)物存在多個(gè)副反應(yīng),即競(jìng)爭(zhēng)型。

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)。

回答下列問(wèn)題:

【分析】本題以甲酸分解的兩種可能為情境,求解平衡時(shí)復(fù)雜體系中部分組分之間的比例關(guān)系。學(xué)生解決此類(lèi)問(wèn)題常習(xí)慣用“三段式”來(lái)表征反應(yīng)前后物質(zhì)的濃度,而多重平衡體系中反應(yīng)之間的相互干擾,是學(xué)生書(shū)寫(xiě)三段式的最大障礙。筆者用原子守恒法避開(kāi)三段式的書(shū)寫(xiě),直接求解平衡時(shí)各物質(zhì)的平衡濃度,解決相關(guān)問(wèn)題。

t1時(shí)刻HCOOH的濃度可通過(guò)C、H、O三種原子分別守恒得出C、H、O三種原子的濃度關(guān)系,從而求解。

C原子守恒:1.0-0.7-0.16=0.14

H原子守恒:[1.0×2-(0.7+0.16)×2]÷2=0.14

O原子守恒:[1.0×2-(0.7×1+0.16×2)-0.7]÷2=0.14

故t1時(shí)刻c(HCOOH)=0.14 mol·L-1。

【例2-競(jìng)爭(zhēng)型】(2020年山東卷,18題節(jié)選)探究CH3OH合成反應(yīng)化學(xué)平衡的影響因素,有利于提高CH3OH的產(chǎn)率。以CO2、H2為原料合成CH3OH涉及的主要反應(yīng)如下:

回答下列問(wèn)題:

(2)一定條件下,向體積為VL的恒容密閉容器中通入1 mol CO2和3 mol H2發(fā)生上述反應(yīng),達(dá)到平衡時(shí),容器中CH3OH(g)為amol,CO為bmol,此時(shí)H2O(g)的濃度為_(kāi)_______mol·L-1(用含a、b、V的代數(shù)式表示,下同),反應(yīng)Ⅲ的平衡常數(shù)為_(kāi)_______。

【分析】利用C、H、O三種原子守恒,分別求解平衡態(tài)時(shí)各物質(zhì)的濃度。

【例3-連續(xù)型】(2019天津卷,7題節(jié)選)(5)在1 L真空密閉容器中,加入amol PH4I固體,t℃時(shí)發(fā)生如下反應(yīng):

達(dá)到平衡時(shí),體系中n(HI)=bmol,n(I2)=cmol,n(H2)=dmol,則t℃時(shí)反應(yīng)①的平衡常數(shù)K值為_(kāi)_______(用字母表示)。

【分析】本題涉及反應(yīng)較多,且為連續(xù)型,若以宏觀物質(zhì)為分析對(duì)象,必然相互干擾,導(dǎo)致思維混亂?；瘜W(xué)反應(yīng)的本質(zhì)即原子的重新組合,在組合的過(guò)程中原子的種類(lèi)和數(shù)量保持不變。基于微粒觀,利用原子守恒法快速求解多重平衡體系反應(yīng)中各物質(zhì)的物質(zhì)的量。

【總結(jié)】多重平衡時(shí)化工生產(chǎn)中的真實(shí)情境與高中化學(xué)學(xué)習(xí)關(guān)聯(lián)度高,用于試題命制能全面考查學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力,所以也是復(fù)習(xí)備考的重點(diǎn)方向。針對(duì)多重平衡相關(guān)計(jì)算問(wèn)題,基于宏觀視角以某種物質(zhì)或某個(gè)反應(yīng)為研究對(duì)象,面臨的最大障礙是物質(zhì)或反應(yīng)間的相互干擾?；谖⒂^視角以某種原子的初始狀態(tài)和平衡狀態(tài)為研究對(duì)象,根據(jù)原子守恒進(jìn)行計(jì)算,很好地避開(kāi)了物質(zhì)或反應(yīng)間的相互干擾,巧妙解決多重平衡題型的計(jì)算問(wèn)題。此類(lèi)題型在高考真題中高頻出現(xiàn)并非偶然,微粒觀和守恒觀是最能體現(xiàn)化學(xué)學(xué)科思維方式和學(xué)科思想的基本觀念。建議教師在復(fù)習(xí)備考的過(guò)程中應(yīng)以《中國(guó)高考評(píng)價(jià)體系》為引領(lǐng),深研高考試題,方能幫助學(xué)生有效提高備考的精準(zhǔn)度。