□王星喬 周千紅 包朝龍

（1.寧波市鄞州中學(xué)，浙江寧波 315104；2.寧波市教育局教研室，浙江寧波 315012）

“化學(xué)反應(yīng)原理”從熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)等方面探索化學(xué)反應(yīng)的規(guī)律及人類對(duì)其控制與利用，對(duì)于提升學(xué)生“變化觀念與平衡思想”素養(yǎng)具有無可替代的作用。因此，化學(xué)反應(yīng)原理成了浙江省化學(xué)選考的必考題。

表1 浙江省6份選考反應(yīng)原理加試題內(nèi)容分布

一、浙江省選考化學(xué)反應(yīng)原理加試題內(nèi)容分布

依據(jù)《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》[1]、《浙江省普通高中學(xué)業(yè)水平考試暨高考選考科目考試說明》[2]，結(jié)合近幾年浙江選考化學(xué)反應(yīng)原理加試題的考查內(nèi)容，將2020年前的6份化學(xué)反應(yīng)原理加試題考查內(nèi)容作如下劃分與編碼：化學(xué)反應(yīng)與熱能（A-1）、化學(xué)反應(yīng)與電能（A-2）、化學(xué)反應(yīng)的方向與限度（B-1）、化學(xué)反應(yīng)速率（B-2）、化學(xué)反應(yīng)的調(diào)控（B-3）、電離平衡（C-1）、水解平衡（C-2）、圖表分析與作圖（D），具體見表1。從表1可知，浙江省選考化學(xué)反應(yīng)原理加試題以實(shí)際工業(yè)或生活應(yīng)用材料為情境，考查化學(xué)反應(yīng)與能量變化、化學(xué)反應(yīng)方向與限度、反應(yīng)速率、化學(xué)平衡移動(dòng)等相關(guān)內(nèi)容，較少涉及“水溶液中的離子反應(yīng)與平衡”。試題要求綜合運(yùn)用化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡，解決生產(chǎn)、生活和科學(xué)研究中的實(shí)際問題，注重圖表信息的獲取與輸出（作圖、語言表述能力）。

二、原創(chuàng)試題呈現(xiàn)*

（一）試題

（10分）甲醇水蒸氣重整制氫（SRM）是用于驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的質(zhì)子交換膜燃料電池的理想氫源，當(dāng)前研究主要集中在提高催化劑活性和降低尾氣中CO含量，以免使燃料電池Pt電極中毒。重整過程發(fā)生的反應(yīng)如下：

其對(duì)應(yīng)的平衡常數(shù)分別為K1、K2、K3，其中K2、K3隨溫度變化如表2所示。

表2 一定溫度下平衡常數(shù)K2、K3的數(shù)值

請(qǐng)回答：

（2）相同條件下，甲醇水蒸氣重整制氫較甲醇直接分解制氫（反應(yīng)Ⅱ）的先進(jìn)之處在于

（3）在常壓、Cat.1催化下，CH3OH和H2O混合氣體（體積比1∶1.2，總物質(zhì)的量2.2 mol）進(jìn)行反應(yīng)，t1時(shí)刻測(cè)得CH3OH轉(zhuǎn)化率及CO、CO2選擇性隨溫度變化情況分別如圖1所示（CO、CO2的選擇性：轉(zhuǎn)化的CH3OH中生成CO、CO2的百分比）。

圖1 CH3OH轉(zhuǎn)化率及CO、CO2選擇性隨溫度變化情況

A.反應(yīng)適宜溫度為300℃

B.工業(yè)生產(chǎn)通常在負(fù)壓條件下進(jìn)行甲醇水蒸氣重整

C.已知Cat.2催化劑具有更高催化活性，可提高甲醇平衡轉(zhuǎn)化率

D.添加CaO的復(fù)合催化劑可提高氫氣產(chǎn)率

②260℃時(shí)H2物質(zhì)的量隨時(shí)間的變化曲線如圖2所示。畫出300℃時(shí)至t1時(shí)刻H2物質(zhì)的量隨時(shí)間的變化曲線。

圖2 260℃時(shí)H2物質(zhì)的量隨時(shí)間的變化曲線

（4）副產(chǎn)物CO2可以在酸性水溶液中電解生成甲酸，生成甲酸的電極反應(yīng)式是

（二）參考答案及評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

（1）高溫（1分），＞（1分）

（2）甲醇轉(zhuǎn)化率高；產(chǎn)物中氫氣含量高，一氧化碳含量低（2分，答對(duì)一點(diǎn)得1分）

（3）①ABC（2分，錯(cuò)選不得分，漏選得1分）

②如圖3

圖3 300℃時(shí)至t1時(shí)刻H2物質(zhì)的量隨時(shí)間的變化曲線

評(píng)分要點(diǎn)：先于260℃曲線達(dá)到平衡，終點(diǎn)在2.95（2分）

三、試題分析報(bào)告

（一）素材來源

（1）題干背景及平衡常數(shù)數(shù)據(jù)來源于參考文獻(xiàn)[3]。

（2）題（3）中有關(guān)一定條件下CH3OH轉(zhuǎn)化率及CO、CO2選擇性隨溫度變化情況來源于參考文獻(xiàn)[4]。

（二）雙向細(xì)目表

學(xué)科核心素養(yǎng)的劃分根據(jù)《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》，化學(xué)學(xué)科基本能力的劃分依據(jù)《浙江省普通高中學(xué)業(yè)水平考試暨高考選考科目考試說明》，命題雙向細(xì)目表見表3。

表3 命題雙向細(xì)目表

（三）命題特色

（1）題設(shè)情境的真實(shí)性：以當(dāng)前最熱的新能源為背景，數(shù)據(jù)圖表來源于文獻(xiàn)資料。

（2）考查知識(shí)的全面性：涵蓋了化學(xué)反應(yīng)原理模塊中最核心的知識(shí)，如化學(xué)反應(yīng)的方向、蓋斯定律、化學(xué)反應(yīng)速率和平衡移動(dòng)原理、平衡常數(shù)及計(jì)算等。

（3）題干設(shè)問的科學(xué)性：設(shè)問與答案是科學(xué)的，設(shè)問與題干情境高度吻合，如題干中“研究主要集中在提高催化劑活性和降低尾氣中CO含量”，和問（2）、問（3）的對(duì)應(yīng)匹配。

（4）信息給予的巧妙性：信息給予的方式是多樣的，如文字、圖、表等，形式巧妙，隱含的信息也不少，例如題（1）、（2）考查學(xué)生對(duì)有效信息理解和吸收能力。

（5）問題設(shè)置的復(fù)雜性：真實(shí)的問題往往是復(fù)雜的，問（2）、問（3）對(duì)學(xué)生的綜合分析能力要求較高，體現(xiàn)了加試題的選拔功能。

（四）測(cè)評(píng)情況

寧波市直屬高中共有2949人參加了寧波市2018年新高考選考化學(xué)適應(yīng)性考試，總體情況及其中兩所學(xué)校（一所重點(diǎn)中學(xué)、一所普通中學(xué)）的相關(guān)數(shù)據(jù)見表4。

表4 試題的測(cè)評(píng)得分情況

各小題學(xué)生答題情況如下。

第（1）小題：此題得分率較高，說明學(xué)生對(duì)化學(xué)反應(yīng)與熱能、化學(xué)反應(yīng)方向、化學(xué)平衡常數(shù)等內(nèi)容掌握程度較好，具有一定的獲取信息、處理信息的能力。

第（2）小題：總體得分率較低，多數(shù)學(xué)生知道CO含量會(huì)明顯減少，但不能與題干信息“研究主要集中在提高催化劑活性和降低尾氣中CO含量”相匹配。此外，“甲醇轉(zhuǎn)化率高”這一得分點(diǎn)很少有學(xué)生能夠踩到。

第（3）小題：總體得分不高，但重點(diǎn)中學(xué)平均得分明顯高于普通中學(xué)，說明區(qū)分度尚可。其中題①錯(cuò)誤集中在漏選B選項(xiàng)，題②較多學(xué)生作圖終點(diǎn)計(jì)算錯(cuò)誤，少數(shù)學(xué)生未考慮到溫度升高“先于260℃曲線達(dá)到平衡”。

第（4）小題：重點(diǎn)中學(xué)得分率明顯高于普通中學(xué)，錯(cuò)誤原因主要集中在以下兩方面：一是得失電子數(shù)目判斷錯(cuò)誤；二是部分學(xué)生不會(huì)書寫甲酸的化學(xué)式或錯(cuò)寫成甲醇。

四、教學(xué)啟示

（一）搭建信息—知識(shí)連接通道

題（2）要求學(xué)生解釋“甲醇水蒸氣重整制氫較甲醇直接分解制氫（反應(yīng)Ⅱ）的先進(jìn)之處”，這類試題要求學(xué)生將已學(xué)知識(shí)和題給信息進(jìn)行有效整合，解釋、評(píng)價(jià)化工生產(chǎn)過程中的實(shí)際問題，浙江選考反應(yīng)原理加試題通常含有此類試題，稱為“說理題”，是學(xué)生在問題解決過程中時(shí)常遇到的一個(gè)難點(diǎn)，障礙在于未能在信息（平衡常數(shù)）、知識(shí)（平衡轉(zhuǎn)化率）間建立有效的連接通道。多年的教學(xué)實(shí)踐表明，構(gòu)建“說理題”分析思維模型是搭建信息—知識(shí)連接通道的有效途徑。從化工生產(chǎn)實(shí)際來看，要求是“原理可行、速率較快、轉(zhuǎn)化率高、成本較低、綠色環(huán)保”，這也是“說理題”的通?？疾榫S度；與之相關(guān)的化學(xué)反應(yīng)原理知識(shí)有“化學(xué)反應(yīng)的方向”“化學(xué)反應(yīng)速率”“化學(xué)平衡的移動(dòng)”，這是“說理題”的通常答題角度。當(dāng)然，在考查維度與答題角度之間，需要結(jié)合題給信息進(jìn)行有效匹配，具體見圖4。

圖4 反應(yīng)原理加試題之“說理題”分析思維模型

以浙江省2017年11月反應(yīng)原理加試題第（3）小題“x1顯著低于x2的原因是___”一問為例（題略），對(duì)該思維模型進(jìn)行應(yīng)用，分析流程見圖5。

圖5 2017年11月浙江選考化學(xué)反應(yīng)原理加試題之“說理題”分析流程

（二）構(gòu)建圖象表征的思維模型

從表1可以看出，浙江省選考化學(xué)反應(yīng)原理加試題非常注重利用圖象表征對(duì)反應(yīng)原理規(guī)律的理解，繪制的圖象類型有濃度—時(shí)間（2015年10月、2016年4月）、平衡轉(zhuǎn)化率—壓強(qiáng)（2016年10月）、物質(zhì)的量—時(shí)間（2017年4月）、能量—反應(yīng)過程（2017年11月）。從此次模擬測(cè)試及平時(shí)教學(xué)情況來看，學(xué)生在圖象的本真意蘊(yùn)理解上尚存在問題。有效解決方法是構(gòu)建圖象表征的思維模型（見圖6）：教學(xué)過程中分析坐標(biāo)軸、起點(diǎn)、趨勢(shì)、斜率、轉(zhuǎn)折點(diǎn)、終點(diǎn)等圖象外顯要素所表示的含義；從化學(xué)反應(yīng)速率、化學(xué)平衡理論等內(nèi)在原理上解釋曲線變化的原因；而反應(yīng)的焓變、分子數(shù)變化、物質(zhì)狀態(tài)等可逆反應(yīng)的自身特征則會(huì)對(duì)圖象的內(nèi)在原理、外顯要素產(chǎn)生影響。

圖6 反應(yīng)原理加試題之“圖象題”分析思維模型

以浙江省2017年4月選考化學(xué)反應(yīng)原理加試題中畫圖題為例（題略），對(duì)該思維模型進(jìn)行應(yīng)用，分析流程見圖7所示。

圖7 2017年4月浙江省選考化學(xué)反應(yīng)原理加試題之“圖象題”分析流程

（三）培養(yǎng)學(xué)生化工生產(chǎn)思維

在此次模擬測(cè)試題（3）①的解答中較多學(xué)生漏選B選項(xiàng)，僅僅從平衡移動(dòng)提升轉(zhuǎn)化率角度思考問題，殊不知此反應(yīng)在常壓條件下轉(zhuǎn)化率已經(jīng)非常高了，如果減壓則會(huì)增加生產(chǎn)成本，對(duì)生產(chǎn)設(shè)備也有特殊要求，且會(huì)降低反應(yīng)速率。這類問題出現(xiàn)的根本原因在于以單因素思維思考化工生產(chǎn)的實(shí)際問題，忽視了生產(chǎn)實(shí)際的復(fù)雜性。類似的問題出現(xiàn)在2018年4月浙江省選考化學(xué)反應(yīng)原理加試題中：題干以工業(yè)上乙酸乙酯制備為背景素材，題（3）要求考生解釋“工業(yè)上多采用乙酸過量的方法……控制乙酸過量的作用有______________”。這一設(shè)問與平時(shí)教學(xué)是相矛盾的，因?yàn)榻滩囊宜嵋阴ブ苽鋵?shí)驗(yàn)中通常控制乙醇過量，使考生難以適從。這類問題解決的關(guān)鍵在于利用制堿法、合成氨、接觸法制硫酸、氯堿工業(yè)等化工生產(chǎn)實(shí)例培養(yǎng)學(xué)生的化工生產(chǎn)思維，要求以整合、系統(tǒng)、應(yīng)變、再循環(huán)視角看待生產(chǎn)過程，在教學(xué)過程中應(yīng)著重關(guān)注以下幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：（1）原料選擇需考慮實(shí)際來源、有效成分、預(yù)處理成本、運(yùn)輸?shù)纫蛩?；?）生產(chǎn)過程考慮循環(huán)利用、節(jié)約能源、降低污染等綠色環(huán)保的意識(shí)；（3）提升生產(chǎn)品質(zhì)和生產(chǎn)效率的同時(shí)，盡可能降低生產(chǎn)成本，具有成本意識(shí)[5]。