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        對化學反應原理中定量計算試題的分析與思考

        2014-09-09 12:45:48韓艷艷單旭峰
        中學化學 2014年5期
        關(guān)鍵詞:二甲醚平衡常數(shù)區(qū)分度

        韓艷艷+單旭峰

        一、考查的試題解析

        1.蓋斯定律

        例1(2011年新課程理綜)科學家利用太陽能分解水生成的氫氣在催化劑作用下與二氧化碳反應生成甲醇,并開發(fā)出直接以甲醇為燃料的燃料電池。已知H2(g)、CO(g)和CH3OH(l)的燃燒熱 ΔH分別為-285.8 kJ·mol-1、-283 kJ·mol-1和-726.5 kJ·mol-1。請回答下列問題:

        (1)用太陽能分解10 mol水消耗的能量是kJ;(2)甲醇不完全燃燒生成一氧化碳和液態(tài)水的熱化學方程式為。

        解答(1)分解水的化學方程式為:

        H2O(l)H2(g)+12O2(g)

        其逆反應可看作氫氣的燃燒反應。由題中已知條件,氫氣的燃燒熱為ΔH=-285.8 kJ·mol-1,則水分解為氫氣和氧氣的反應為吸熱反應,其熱效應ΔH=+285.8 kJ·mol-1。如果有10 mol 水分解,則需要的能量應為2858 kJ。

        (2)本小題實際上是要求寫出甲醇的不完全燃燒反應的化學方程式并計算出相應的反應熱。根據(jù)題中已知條件:CO(g)+12O2(g)CO2(g)

        ΔH1=-283.0kJ·mol-1(ⅰ)

        CH3OH(l)+32O2(g)CO2(g)+2H2O(l)

        ΔH2=-726.5kJ·mol-1(ⅱ)

        運用蓋斯定律,由(ⅱ)-(ⅰ)得:

        CH3OH(l)+O2(g)CO(g)+2H2O(l)

        ΔH=-443.5 kJ·mol-1

        即1 mol甲醇經(jīng)不完全燃燒生成一氧化碳和液態(tài)水可放出443.5 kJ的熱量。

        分析問題(1)考后統(tǒng)計數(shù)據(jù)不是非常理想,通過調(diào)查分析得知,學生沒有領(lǐng)悟該問的考查意圖和目標,沒有意識到水的分解反應焓變可以用氫氣燃燒的逆反應進行計算;問題(2)考查意圖比較明顯,學生能領(lǐng)悟出應用蓋斯定律進行解題的方法,所以難度比較適宜。

        例2(2013年新課程理綜)二甲醚(CH3OCH3)是無色氣體,可作為一種新型能源。由合成氣(組成為H2、CO和少量的CO2)直接制備二甲醚,其中的主要過程包括以下四個反應:

        甲醇合成反應:

        (i) CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)

        ΔH1=-90.1kJ·mol-1

        (ii) CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)

        ΔH2=-49.0kJ·mol-1

        水煤氣變換反應:

        (iii) CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)

        ΔH3=-41.1kJ·mol-1

        二甲醚合成反應:(iv)2CH3OH(g)CH3OCH3(g)+H2O(g)

        ΔH4=-24.5kJ·mol-1

        由H2和CO直接制備二甲醚(另一產(chǎn)物為水蒸氣)的熱化學方程式為。

        解答根據(jù)本題條件可知,將化學方程式(i)、(ii)、(iii)、(iv)相加,得到由H2和CO直接制備二甲醚反應式,反應的熱效應:

        ΔH=ΔH1+ΔH2+ΔH3+ΔH4

        =(-90.1 kJ·mol-1)+(-49.0kJ·mol-1)+(-41.1 kJ·mol-1)+(-24.5 kJ·mol-1)

        =-204.7 kJ·mol-1。

        即熱化學方程式為:

        2CO(g)+4H2(g)CH3OCH3(g)+H2O(g),ΔH=-204.7 kJ·mol-1

        或者將化學方程式(i)×2與(iv)相加也可得到相同的熱化學方程式。

        分析考后該題統(tǒng)計難度0.39,區(qū)分度為0.51。本題仍是考查蓋斯定律內(nèi)容,由于其指向明確且數(shù)據(jù)計算不是特別復雜,試題難度不大且區(qū)分度優(yōu)秀。

        2.能量轉(zhuǎn)化效率

        例3(2013年新課程理綜)二甲醚直接燃料電池具有啟動快、效率高等優(yōu)點,其能量密度高于甲醇直接燃料電池(5.93 kW·h·kg-1)。若電解質(zhì)為酸性,二甲醚直接燃料電池的負極反應為,一個二甲醚分子經(jīng)過電化學氧化,可以產(chǎn)生個電子的電量;該電池的理論輸出電壓為1.20 V,能量密度E= (列式計算。能量密度=電池輸出電能/燃料質(zhì)量,1 kW·h=3.6×106J)。

        解答從電池反應可見,一個二甲醚分子經(jīng)過電化學氧化,可以產(chǎn)生12個電子的電量。1 mol二甲醚完全氧化,可產(chǎn)生的電能為1.20 V×12×96500 C,則根據(jù)本題“能量密度=電池輸出電能/燃料質(zhì)量”的定義,二甲醚直接燃料電池的能量密度為:

        E=1.20 V×1000 g46 g·mol-1×12×96500 C·mol-11 kg÷(3.6×106J·kW-1·h-1)

        =8.39 kW·h·kg-1

        分析本題實測難度系數(shù)為0.03,難度很大,但是區(qū)分度很好0.54。此題有如下兩個難點:一是能量的計算,要用到物理學上的電功(或電能)的涵義:電動(或電能)=電壓×電量,其中還用到法拉第常數(shù)或者電子的電量,這些都是學生不熟悉的內(nèi)容。二是單位的換算且數(shù)值較大,計算較為復雜,會占用學生較多的考試時間,導致大量學生直接放棄。

        3.平衡常數(shù)及轉(zhuǎn)化率

        (1)沉淀溶解平衡常數(shù)

        例4(2010年海南卷第5題)已知:Ksp(AgCl)=1.8×10-10,Ksp(AgI)=1.5×10-16,Ksp(Ag2CrO4)=2.0×10-12,則下列難溶鹽的飽和溶液中,Ag+濃度大小順序正確的是()。

        A.AgCl>AgI>Ag2CrO4

        B.AgCl>Ag2CrO4>AgI

        C.Ag2CrO4>AgCl>AgI

        D. Ag2CrO4>AgI>AgCl

        解答AgCl和AgI化學式類似,它們?nèi)芙舛龋ㄅc陽離子或陰離子的飽和濃度一致)的大小可直接比較溶度積大小。因為陽離子數(shù)和陰離子數(shù)之比為1∶1,在飽和溶液中,Ksp=c(Ag+)c(X-)(X代表Cl,I),c(Ag+)=Ksp。 而在Ag2CrO4中,Ksp=c(Ag+)2c(CrO2-4),c(Ag+)=32Ksp。Ag2CrO4、AgCl、AgI中c(Ag+)的濃度約為10-4、10-5、10-8,選項C正確。

        分析本題是對沉淀溶解平衡常數(shù)的考查,要求學生利用沉淀溶解平衡常數(shù)定量估算溶液中的離子濃度。此題對總分超過50分的學生區(qū)分較好??偡值陀?0分的學生基本上都直接按照Ksp的大小比較Ag+的大小,錯誤地選擇了B。

        (2)弱酸弱堿電離平衡常數(shù)

        例5(2013年新課程理綜)室溫時,M(OH)2(s)M2+(aq)+2OH-(aq),Ksp=a,c(M2+)=b mol·L-1時,溶液的pH等于()。

        A.12lg(ba)B. 12lg(ab)

        C.14+12lg(ab)D. 14+12lg(ba)

        解答M(OH)2(s)M2+(aq)+2OH-(aq)Ksp=a,此時溶液中的c(M2+)=b mol·L-1時,溶液中的OH-的濃度表示為:

        c(OH-)=Ksp[M(OH2)]c(M2+)=ab

        pOH=-lgc(OH-)=-12lg(ab)

        pH=14-pOH=14+12lg(ab)

        分析此題難度統(tǒng)計為0.533,區(qū)分度為0.431。對于低分數(shù)段的考生,選項B和D都具有很強的干擾性。對于高分段的考生,選項D具有很強的干擾性。考生回答錯誤的主要原因可能是沒有厘清pH計算的涵義,在計算過程中將對數(shù)的計算轉(zhuǎn)換成pH時正負關(guān)系顛倒。

        (3)氣相反應平衡常數(shù)

        例6(2012年新課程理綜)COCl2的分解反應為:COCl2(g)Cl2(g)+CO(g),ΔH=+108 kJ·mol-1。反應體系達到平衡后,各物質(zhì)的濃度在不同條件下的變化狀況如圖1所示(第10 min到14 min的COCl2濃度變化曲線未示出):

        圖1①計算反應在第8 min時的平衡常數(shù)K=;

        ②比較第2 min反應溫度T(2)與第8 min反應溫度T(8)的高低:T(2) T(8)(填“<”、“>”或“=”);

        ③若12 min時反應于溫度T(8)下重新達到平衡,則此時c(COCl2)=mol·L-1 。

        解答①第8 min時反應為重新達到平衡,此時平衡常數(shù):

        K=c(Cl2)c(CO)c(COCl2)

        =0.11 mol·L-1×0.09 mol·L-10.04 mol·L-1

        =0.234 mol·L-1

        ②由圖可知,在t為0~4 min中,反應達到平衡。從第4 min開始,反應物COCl2濃度逐漸降低而產(chǎn)物CO和Cl2濃度逐漸升高,表明平衡向正反應方向移動。因為光氣分解是吸熱反應,表明從第4min開始,反應溫度提高,即T(2)<T(8)。

        ③由題圖可知,在第10 min時,反應產(chǎn)物之一的CO被部分移去,導致平衡再次向正反應方向的移動,產(chǎn)物Cl2濃度增高而反應物COCl2濃度降低。根據(jù)本題所給條件,第12 min時反應于溫度T(8)下重新達到平衡此時平衡常數(shù)仍為0.234 mol·L-1。

        由圖可見,此時c(CO)=0.06 mol·L-1,c(Cl2)=0.12 mol·L-1,

        故有:c(COCl2)=c(CO)·c(Cl2)K

        =0.06 mol·L-1×0.12 mol·L-10.234 mol·L-1

        =0.031 mol·L-1。

        分析③問考后統(tǒng)計難度0.46,區(qū)分度0.53。此題考查目的明確,學生能領(lǐng)悟考查意圖。解答的關(guān)鍵是分析從熱化學方程式和圖中找出關(guān)鍵的信息:反應為分子數(shù)增大、吸熱反應、平衡時的濃度等。利用這些信息去分析判斷每個過程發(fā)生濃度變化的外因(壓力、溫度、催化劑等)。

        二、思考與啟示

        反應原理中的定量內(nèi)容是新課程教學中的新增知識點,也是高考化學必考部分中考查的重點和難點。從上面的分析看,影響難度的主要因素有以下三個方面:①考查意圖間接;②數(shù)據(jù)比較復雜;③除了數(shù)據(jù)比較復雜之外,引入新的信息,需要進行量綱的轉(zhuǎn)換。

        不管試題難度是大還是小,考查定量方法的這些試題的區(qū)分效果都非常良好。

        (1)在教學過程中要重視計算規(guī)范性和計算能力的訓練。

        (2)要總結(jié)考查反應原理模塊中定量研究的思路和方法,要保證區(qū)分度的前提下,注意調(diào)控試題的難度。在試題命制過程要模擬學生在考試中的情境,合理預估試題的難度,適度減少純數(shù)字的計算,提高考試的效度和信度。

        (收稿日期:2014-01-20)

        (3)氣相反應平衡常數(shù)

        例6(2012年新課程理綜)COCl2的分解反應為:COCl2(g)Cl2(g)+CO(g),ΔH=+108 kJ·mol-1。反應體系達到平衡后,各物質(zhì)的濃度在不同條件下的變化狀況如圖1所示(第10 min到14 min的COCl2濃度變化曲線未示出):

        圖1①計算反應在第8 min時的平衡常數(shù)K=;

        ②比較第2 min反應溫度T(2)與第8 min反應溫度T(8)的高低:T(2) T(8)(填“<”、“>”或“=”);

        ③若12 min時反應于溫度T(8)下重新達到平衡,則此時c(COCl2)=mol·L-1 。

        解答①第8 min時反應為重新達到平衡,此時平衡常數(shù):

        K=c(Cl2)c(CO)c(COCl2)

        =0.11 mol·L-1×0.09 mol·L-10.04 mol·L-1

        =0.234 mol·L-1

        ②由圖可知,在t為0~4 min中,反應達到平衡。從第4 min開始,反應物COCl2濃度逐漸降低而產(chǎn)物CO和Cl2濃度逐漸升高,表明平衡向正反應方向移動。因為光氣分解是吸熱反應,表明從第4min開始,反應溫度提高,即T(2)<T(8)。

        ③由題圖可知,在第10 min時,反應產(chǎn)物之一的CO被部分移去,導致平衡再次向正反應方向的移動,產(chǎn)物Cl2濃度增高而反應物COCl2濃度降低。根據(jù)本題所給條件,第12 min時反應于溫度T(8)下重新達到平衡此時平衡常數(shù)仍為0.234 mol·L-1。

        由圖可見,此時c(CO)=0.06 mol·L-1,c(Cl2)=0.12 mol·L-1,

        故有:c(COCl2)=c(CO)·c(Cl2)K

        =0.06 mol·L-1×0.12 mol·L-10.234 mol·L-1

        =0.031 mol·L-1。

        分析③問考后統(tǒng)計難度0.46,區(qū)分度0.53。此題考查目的明確,學生能領(lǐng)悟考查意圖。解答的關(guān)鍵是分析從熱化學方程式和圖中找出關(guān)鍵的信息:反應為分子數(shù)增大、吸熱反應、平衡時的濃度等。利用這些信息去分析判斷每個過程發(fā)生濃度變化的外因(壓力、溫度、催化劑等)。

        二、思考與啟示

        反應原理中的定量內(nèi)容是新課程教學中的新增知識點,也是高考化學必考部分中考查的重點和難點。從上面的分析看,影響難度的主要因素有以下三個方面:①考查意圖間接;②數(shù)據(jù)比較復雜;③除了數(shù)據(jù)比較復雜之外,引入新的信息,需要進行量綱的轉(zhuǎn)換。

        不管試題難度是大還是小,考查定量方法的這些試題的區(qū)分效果都非常良好。

        (1)在教學過程中要重視計算規(guī)范性和計算能力的訓練。

        (2)要總結(jié)考查反應原理模塊中定量研究的思路和方法,要保證區(qū)分度的前提下,注意調(diào)控試題的難度。在試題命制過程要模擬學生在考試中的情境,合理預估試題的難度,適度減少純數(shù)字的計算,提高考試的效度和信度。

        (收稿日期:2014-01-20)

        (3)氣相反應平衡常數(shù)

        例6(2012年新課程理綜)COCl2的分解反應為:COCl2(g)Cl2(g)+CO(g),ΔH=+108 kJ·mol-1。反應體系達到平衡后,各物質(zhì)的濃度在不同條件下的變化狀況如圖1所示(第10 min到14 min的COCl2濃度變化曲線未示出):

        圖1①計算反應在第8 min時的平衡常數(shù)K=;

        ②比較第2 min反應溫度T(2)與第8 min反應溫度T(8)的高低:T(2) T(8)(填“<”、“>”或“=”);

        ③若12 min時反應于溫度T(8)下重新達到平衡,則此時c(COCl2)=mol·L-1 。

        解答①第8 min時反應為重新達到平衡,此時平衡常數(shù):

        K=c(Cl2)c(CO)c(COCl2)

        =0.11 mol·L-1×0.09 mol·L-10.04 mol·L-1

        =0.234 mol·L-1

        ②由圖可知,在t為0~4 min中,反應達到平衡。從第4 min開始,反應物COCl2濃度逐漸降低而產(chǎn)物CO和Cl2濃度逐漸升高,表明平衡向正反應方向移動。因為光氣分解是吸熱反應,表明從第4min開始,反應溫度提高,即T(2)<T(8)。

        ③由題圖可知,在第10 min時,反應產(chǎn)物之一的CO被部分移去,導致平衡再次向正反應方向的移動,產(chǎn)物Cl2濃度增高而反應物COCl2濃度降低。根據(jù)本題所給條件,第12 min時反應于溫度T(8)下重新達到平衡此時平衡常數(shù)仍為0.234 mol·L-1。

        由圖可見,此時c(CO)=0.06 mol·L-1,c(Cl2)=0.12 mol·L-1,

        故有:c(COCl2)=c(CO)·c(Cl2)K

        =0.06 mol·L-1×0.12 mol·L-10.234 mol·L-1

        =0.031 mol·L-1。

        分析③問考后統(tǒng)計難度0.46,區(qū)分度0.53。此題考查目的明確,學生能領(lǐng)悟考查意圖。解答的關(guān)鍵是分析從熱化學方程式和圖中找出關(guān)鍵的信息:反應為分子數(shù)增大、吸熱反應、平衡時的濃度等。利用這些信息去分析判斷每個過程發(fā)生濃度變化的外因(壓力、溫度、催化劑等)。

        二、思考與啟示

        反應原理中的定量內(nèi)容是新課程教學中的新增知識點,也是高考化學必考部分中考查的重點和難點。從上面的分析看,影響難度的主要因素有以下三個方面:①考查意圖間接;②數(shù)據(jù)比較復雜;③除了數(shù)據(jù)比較復雜之外,引入新的信息,需要進行量綱的轉(zhuǎn)換。

        不管試題難度是大還是小,考查定量方法的這些試題的區(qū)分效果都非常良好。

        (1)在教學過程中要重視計算規(guī)范性和計算能力的訓練。

        (2)要總結(jié)考查反應原理模塊中定量研究的思路和方法,要保證區(qū)分度的前提下,注意調(diào)控試題的難度。在試題命制過程要模擬學生在考試中的情境,合理預估試題的難度,適度減少純數(shù)字的計算,提高考試的效度和信度。

        (收稿日期:2014-01-20)

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