湖南

一、研究背景

2019年高考試題以學(xué)科素養(yǎng)為抓手，將核心價值、學(xué)科素養(yǎng)、關(guān)鍵能力和必備知識等考查內(nèi)容有機(jī)結(jié)合，注重基礎(chǔ)性、綜合性、應(yīng)用性和創(chuàng)新性的考查。通過創(chuàng)設(shè)具有探索性的問題情境，加大對核心素養(yǎng)考查的力度，有利于發(fā)揮高考選材功能，強(qiáng)化教學(xué)核心素養(yǎng)導(dǎo)向。全國卷Ⅰ理綜28題，素材新穎、情境真實(shí)，凸顯了對學(xué)科素養(yǎng)的考查，堪稱試題典范。部分教師覺得不易理解，故本文對此進(jìn)行深度分析，希望對大家有所作用。

二、高考原題

(1)Shibata曾做過下列實(shí)驗：①使純H2緩慢地通過處于721℃下的過量氧化鈷CoO(s)，氧化鈷部分被還原為金屬鈷Co(s)，平衡后氣體中H2的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為0.025 0。②在同一溫度下用CO還原CoO(s)，平衡后氣體中CO的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為0.019 2。

根據(jù)上述實(shí)驗結(jié)果判斷，還原CoO(s)為Co(s)的傾向是CO________(填“大于”或“小于”)H2。

(2)721℃時，在密閉容器中將等物質(zhì)的量的CO(g)和H2O(g)混合，采用適當(dāng)?shù)拇呋瘎┻M(jìn)行反應(yīng)，則平衡時體系中H2的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為________(填標(biāo)號)。

A.<0.25 B.0.25 C.0.25～0.50 D.0.50 E.>0.50

(3)我國學(xué)者結(jié)合實(shí)驗與計算機(jī)模擬結(jié)果，研究了在金催化劑表面上水煤氣變換的反應(yīng)歷程，如圖所示，其中吸附在金催化劑表面上的物種用*標(biāo)注。

可知水煤氣變換的ΔH________(填“大于”“等于”或“小于”)0。該歷程中最大能壘(活化能)E正=________eV，寫出該步驟的化學(xué)方程式：________________。

(4)Shoichi研究了467℃、489℃時水煤氣變換中CO和H2分壓隨時間變化關(guān)系(如圖所示)，催化劑為氧化鐵，實(shí)驗初始時體系中的pH2O和pCO相等、pCO2和pH2相等。

三、詳細(xì)分析

物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)x平衡0.025 0 1-0.025 0=0.975

[上式中n平衡=平衡時n(H2O)+n(H2)]

可見，對于反應(yīng)前后氣體物質(zhì)的量相等的可逆反應(yīng)，可用平衡時各氣體組分的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)(或物質(zhì)的量)代替其平衡濃度直接計算濃度平衡常數(shù)Kc。據(jù)此求下列反應(yīng)的Kc：

物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)x平衡0.019 2 1-0.019 2=0.980 8

這兩個平衡常數(shù)的數(shù)值，就是該物質(zhì)還原CoO能力大小的一個“標(biāo)尺”。顯然Kc2>Kc1，即還原CoO(s)為Co(s)的傾向為CO大于H2，或者說721℃下，CO奪取氧的能力大于H2。

雖然高中課本未涉及分壓平衡常數(shù)Kp，但從2014年開始，高考全國卷中就開始以提供信息的方式考查Kp。那么，能否用Kp比較？Kp與Kc又有何關(guān)系？現(xiàn)以Kp1為例推斷如下：

(上式中p平衡=平衡時pH2O+pH2)

可見，對于反應(yīng)前后氣體物質(zhì)的量相等的可逆反應(yīng)，相同溫度下，Kp=Kc。即

上述比較Kc2與Kc1大小的過程也可以改為比較Kp2和Kp1大小的過程。另外，上述結(jié)論在后面第(2)、(4)問的解決過程中也可以運(yùn)用，進(jìn)而加強(qiáng)學(xué)生對分壓平衡常數(shù)的理解，減少他們的陌生感。

分析方法②：根據(jù)多重平衡原理分析，

由②-①得：

在此基礎(chǔ)上，可引導(dǎo)學(xué)生用不同思路推斷平衡時H2的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)范圍。

解法一：假設(shè)法

由于該小問是一個選擇性判斷，學(xué)生可充分利用選項中提供的數(shù)據(jù)，用假設(shè)法快速判斷。

若H2的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為0.25，則根據(jù)題意可知：

物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)x起始0.50 0.50 0 0

物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)x某時刻0.25 0.25 0.25 0.25

若H2的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為0.50，根據(jù)反應(yīng)的化學(xué)方程式可知，CO2的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)亦為0.50，即反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率達(dá)100%，與該反應(yīng)為典型的可逆反應(yīng)這一事實(shí)不符，即平衡時H2的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)必然小于0.50。綜上所述，平衡時H2的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)范圍為0.25～0.50。

解法二：不等式法

學(xué)生也可直接利用該反應(yīng)在721℃時的Kp3>1進(jìn)行正向思維計算判斷。

設(shè)721℃時該反應(yīng)達(dá)平衡時H2的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為x，物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)之比=物質(zhì)的量之比，故可將物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)直接代入方程式進(jìn)行分析：

總之，由于河套問題的出現(xiàn)，在北部邊防沉重的軍事壓力之下，衛(wèi)所制度趨于崩潰的同時，為有效抵御蒙古部落的入掠，募兵制和軍事家丁制度逐漸興起。但這也無異于飲鴆止渴，由此產(chǎn)生大量冗兵的軍費(fèi)造成了政府財政的超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，為明王朝的加速覆亡埋下了伏筆。

物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)x起始0.50 0.50 0 0

物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)x平衡0.50-x0.50-xxx

又由于可逆反應(yīng)達(dá)平衡時反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率小于100%，即平衡時各組分的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)均大于0，可知0.50-x>0，解得x<0.50。綜上所述，平衡時H2的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)范圍為0.25～0.50。

另外，課堂上當(dāng)學(xué)生想一探究竟時，也要呵護(hù)學(xué)生的積極性。

解法三：常規(guī)法

物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)x起始0.50 0.50 0 0

物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)x平衡0.50-x0.50-xxx

在運(yùn)用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行解方程、不等式或運(yùn)用公式的過程中，要特別注意每個代數(shù)式、公式的化學(xué)含義及適用條件，只有這樣，才能更好地運(yùn)用數(shù)學(xué)知識解決化學(xué)問題。

以上解法三中，根據(jù)確切的Kp3計算平衡時H2的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)增加了計算量，耗費(fèi)了更多的時間?？梢?，在平時的課堂教學(xué)中選擇不同的思維方法，不僅能因材施教，照顧不同學(xué)生思維方式的差異性，同時還能培養(yǎng)學(xué)生思維的全面性、深刻性、靈活性；在考場上，針對不同的設(shè)問方式，學(xué)生才能用敏銳的眼光捕捉試題中所給的有效信息，快速作出判斷，優(yōu)化解決問題的策略。

部分學(xué)生可能由于閱讀理解能力不夠強(qiáng)、基礎(chǔ)知識不夠扎實(shí)或意志品格不夠堅定，遇到難度較大的問題或看似“已知條件不夠”的問題，沒有深入思考與展示思維過程的好習(xí)慣，往往是粗粗瀏覽一下試題就有可能放棄。而通過引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行上述的推導(dǎo)及分析，能使學(xué)生堅信，只要理解題意，善于把實(shí)際問題轉(zhuǎn)化為化學(xué)問題，大都可以化難為易。比如，平衡常數(shù)的推導(dǎo)計算，先寫出平衡常數(shù)的表達(dá)式，再順藤摸瓜，逐步找出試題中的已知條件，挖掘其中隱含條件，并關(guān)聯(lián)已有知識，敢于嘗試，將抽象的思維從內(nèi)隱走向外顯，就可逐步找到思路，并進(jìn)行深入推導(dǎo)，從而構(gòu)建解決各類問題的一般思維模型；遇到具體問題時，又能靈活調(diào)整解題策略，從而在遇到困難時能樹立信心，進(jìn)入“山重水復(fù)疑無路，柳暗花明又一村”的境界。

仔細(xì)分析該圖象，除了上文提到的反應(yīng)要經(jīng)歷兩個過渡態(tài)外，還可知其他信息：

①開始吸附階段：相對能量由0 eV降到-0.32 eV，為放熱過程。

②最后的脫附階段：相對能量由-0.83 eV升高到-0.72 eV，為吸熱過程。

③中間階段：相對能量分別由1.25 eV降到-0.16 eV，1.41 eV降到-0.83 eV，均為放熱過程，表觀活化能均小于0。

怎樣理解表現(xiàn)活化能小于0的反應(yīng)過程呢？處于激發(fā)態(tài)的自由基，復(fù)合成分子時回到基態(tài)，會釋放出能量，使表觀活化能出現(xiàn)負(fù)值。

筆者對這個復(fù)雜反應(yīng)歷程圖的理解是：在整個反應(yīng)歷程中有4個基元反應(yīng)，其中兩個反應(yīng)涉及正活化能，兩個反應(yīng)的活化能為零。

該問的設(shè)置拓寬了學(xué)生的認(rèn)知視野，使學(xué)生認(rèn)識到大多數(shù)化學(xué)反應(yīng)并不是一步完成的，而是經(jīng)過幾個基元反應(yīng)分步完成的，催化反應(yīng)更是如此，同時意識到影響反應(yīng)速率因素的復(fù)雜性。

通過該問題的設(shè)置，使學(xué)生明白中學(xué)課本上反應(yīng)速率的表達(dá)式是針對一般情況的，從而防止學(xué)生認(rèn)識僵化。

由題知467℃、489℃水煤氣變換實(shí)驗的初始體系中pH2O和pCO相等、pCO2和pH2相等，為了讓起始條件更明朗，不妨進(jìn)行下列題設(shè)：

p起始p1p1p2p2

p起始p3p3p4p4

在接下來的分析中，至關(guān)重要的一點(diǎn)是幫助學(xué)生理清對分壓-時間圖的正確理解。

學(xué)生可能存在的第一個困惑：p1是否等于p2？p3是否等于p4？p1是否等于p3？p2是否等于p4？讀圖可知t=0時縱坐標(biāo)上出現(xiàn)了四個不同的pCO或pH2分壓，顯然p1≠p2≠p3≠p4。對上述已知條件的分析有助于提升學(xué)生理解能力，消除學(xué)生潛在的認(rèn)知困惑。

學(xué)生可能存在的第二個困惑：為什么圖象中只畫出了兩種不同溫度下的pCO、pH2？因為兩種不同溫度下均有pCO=pH2O、pCO2=pH2，故兩種不同溫度下的pCO與pH2O必然重合，pCO2和pH2也必然重合，也就是說，每種溫度下，反應(yīng)物和產(chǎn)物都只能取其中一種物質(zhì)，圖象中總共4條分壓-時間曲線。

從前文計算及分析可知，721℃時，Kp3=Kc3>1，即pH2>pCO。

分析方法①：要判斷四條曲線分別對應(yīng)哪種溫度下的pCO或pH2，最容易想到的是先判斷哪兩條曲線對應(yīng)的是同一溫度下的反應(yīng)。

讀圖可知30～90 min內(nèi)：

a曲線：Δpa=4.08-3.80=0.28 kPa

b曲線：Δpb=3.64-3.30=0.34 kPa

c曲線：Δpc=2.21-1.87=0.34 kPa

d曲線：Δpd=1.49-1.21=0.28 kPa

因為Δpa=Δpd=0.28 kPa，Δpb=Δpc=0.34 kPa，由方程式中化學(xué)計量數(shù)的關(guān)系可知，a、d代表的是某相同溫度下pH2或pCO的變化曲線，b、c代表的是另一相同溫度下pH2或pCO的變化曲線。又由于pH2>pCO，可知a、b代表的是pH2，c、d代表的是pCO。該反應(yīng)的ΔH<0，故其他條件不變時，降低溫度，平衡右移，即平衡時pH2(467℃)>pH2(489℃)、pCO(467℃)

學(xué)生可能存在的第三個困惑：算出四條曲線30～90 min 時的Δp后，為何不能認(rèn)為Δp大的是對應(yīng)較高溫度下的曲線？這種認(rèn)識的根源在于只看到了溫度對反應(yīng)速率的影響，忽視了壓強(qiáng)對反應(yīng)速率的影響。因為同一溫度下反應(yīng)中總壓始終不變，若選擇30 min時的數(shù)據(jù)進(jìn)分析：467℃時，p總=3.30×2+2.21×2=11.02 kPa；489℃時，p總=1.21×2+4.08×2=10.58 kPa。溫度相對較低的，壓強(qiáng)相對較大；溫度相對較高的，壓強(qiáng)相對較小。其他條件不變時，對于該反應(yīng)而言，溫度升高或壓強(qiáng)增大時反應(yīng)速率均增大。該反應(yīng)低溫時壓強(qiáng)大、高溫時壓強(qiáng)小，因此，只從溫度角度判斷反應(yīng)速率是不正確的。

分析方法②：因為在同一溫度下反應(yīng)的總壓始終不變，pCO+pH2為定值。曲線a、d在30 min時分壓之和為4.08+1.21=5.29 kPa，90 min時分壓之和為3.80+1.49=5.29 kPa，兩者相等；曲線b、c在30 min時分壓之和為3.30+2.21=5.51 kPa，90 min時分壓之和為3.64+1.87=5.51 kPa，兩者相等。說明曲線a、d對應(yīng)同一溫度的反應(yīng)數(shù)據(jù)，b、c對應(yīng)另一溫度的反應(yīng)數(shù)據(jù)，然后在此基礎(chǔ)上用解法一的后續(xù)思路得出正確結(jié)論。

由此，可以感受到命題專家高超的智慧，試題的呈現(xiàn)與設(shè)問方式充分尊重學(xué)生思維方式的差異性。

學(xué)生可能存在的第四個困惑：為什么467℃時CO的分壓減小、H2的分壓增大，即反應(yīng)從正反應(yīng)方向建立平衡；而489℃時H2的分壓減小、CO的分壓增大，即反應(yīng)從逆反應(yīng)方向建立平衡？

此時可引導(dǎo)學(xué)生讀圖，通過計算幫助學(xué)生解決困惑。

p起始/kPa 2.6 2.6 2.8 2.8

p平衡/kPa 1.5 1.5 3.9 3.9

顯然Qp

p起始/kPa 0.8 0.8 4.4 4.4

p平衡/kPa 1.6 1.6 3.6 3.6

(因起始時和平衡時的分壓較難讀準(zhǔn)，此為近似值)

顯然Qp>Kp，反應(yīng)從逆反應(yīng)方向建立平衡，即pCO漸大、pH2漸小，直至反應(yīng)達(dá)到平衡。

不難看出，第(4)問與第(1)(2)(3)問的設(shè)置緊密相關(guān)，只有將前三問的結(jié)論應(yīng)用于第(4)問，才能推理出第(4)問，該問對思維的全面性、綜合性、深刻性和靈活性要求更高。在教學(xué)中，需合理利用試題，引導(dǎo)學(xué)生自己搭建思維臺階，逐步分析，解決問題。

另外，從圖象中還可看出，可逆反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)所需的時間很長，啟示我們化工生產(chǎn)中不一定要追求化學(xué)平衡狀態(tài)。

四、試題評價

該題以水煤氣的變換為載體，要求學(xué)生在掌握反應(yīng)原理的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)驗數(shù)據(jù)關(guān)系圖表、運(yùn)用化學(xué)基本原理分析反應(yīng)過程中的能量變化，判斷反應(yīng)歷程和機(jī)理，推測溫度等因素對反應(yīng)速率及化學(xué)平衡的影響。試題涉及氣體分壓、反應(yīng)熱、活化能、反應(yīng)速率、化學(xué)平衡常數(shù)等方面的知識。該題綜合性很強(qiáng)且難度較大，要求學(xué)生能結(jié)合試題新穎的設(shè)問方式，避開常規(guī)思維進(jìn)行巧妙判斷與靈活計算。實(shí)驗結(jié)合計算機(jī)模擬圖象的題型不常見，試題設(shè)計新穎，分步設(shè)問、層層遞進(jìn)、環(huán)環(huán)相扣、首尾呼應(yīng)，構(gòu)建了邏輯嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑囶}結(jié)構(gòu)，具有很高的區(qū)分度。該題側(cè)重考查學(xué)生的理解能力、挖掘信息能力、數(shù)據(jù)分析能力、推理演繹能力、歸納總結(jié)能力、反思評價能力以及對已學(xué)知識進(jìn)行關(guān)聯(lián)并熟練運(yùn)用和遷移的能力，主要滲透了對“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”核心素養(yǎng)的考查，要求學(xué)生具有證據(jù)意識，能基于證據(jù)對物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)及其變化提出可能的假設(shè)，通過分析推理加以證實(shí)或證偽；建立觀點(diǎn)、結(jié)論和證據(jù)之間的邏輯關(guān)系。通過分析、推理等方法認(rèn)識研究對象的本質(zhì)特征、構(gòu)成要素及其相互關(guān)系，建立認(rèn)知模型，并能運(yùn)用模型解釋化學(xué)現(xiàn)象，揭示現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律。也滲透了對變化觀念和平衡思想的考查：能認(rèn)識物質(zhì)是運(yùn)動和變化的，知道化學(xué)變化需要一定的條件，并遵循一定規(guī)律；認(rèn)識化學(xué)變化的本質(zhì)特征是有新物質(zhì)生成，并伴有能量轉(zhuǎn)化；認(rèn)識化學(xué)變化有一定限度的，是可以調(diào)控的；能從多角度、動態(tài)地分析化學(xué)變化。

第(3)問來源于我國化學(xué)工作者發(fā)表在頂級刊物Science的文章《沉積在α-MoC上單層金原子對水煤氣的低溫催化反應(yīng)》，試題以文章中的單原子催化能量變化的理論計算模型為情境素材，讓學(xué)生認(rèn)識、分析催化吸附機(jī)理及反應(yīng)過程中的能量變化。通過擴(kuò)大試題素材來源，減少學(xué)生反復(fù)刷題、機(jī)械訓(xùn)練的情況，引導(dǎo)教師在實(shí)際教學(xué)中遵循教學(xué)規(guī)律，通過設(shè)置真實(shí)的問題情境、新穎的試題呈現(xiàn)方式，使“死記硬背”“機(jī)械刷題”“題海戰(zhàn)術(shù)”沒有市場，既提高試題的區(qū)分度，又引導(dǎo)教師注重學(xué)生從“解題”到“解決問題”的能力培養(yǎng)、從“做題”到“做人做事”的素養(yǎng)提升。同時試題中還呈現(xiàn)了我國科學(xué)家發(fā)表的世界領(lǐng)先的科技成果，增強(qiáng)了科技成就感和民族自豪感，激發(fā)學(xué)生的愛國熱情。

五、教學(xué)啟示