湖南 王雨佳 陳巧玲

化學(xué)圖像是借助數(shù)學(xué)知識(shí)對(duì)化學(xué)變化過(guò)程進(jìn)行描述和呈現(xiàn)，具有直觀、簡(jiǎn)潔、信息量大、內(nèi)容豐富的特點(diǎn)，故圖像題備受高考命題者青睞?！跋壬蠼怠眻D像在反應(yīng)過(guò)程與能量如圖1(a)所示、電解質(zhì)溶液導(dǎo)電性探究如圖1(b)所示等考點(diǎn)中高頻出現(xiàn)，在反應(yīng)速率與平衡中更為熱點(diǎn)如圖1(c)所示。

(a)

(b)

(c)

近六年高考真題(2015—2020)中共出現(xiàn)19次“先升后降”圖像，其中有12次考查反應(yīng)速率與平衡知識(shí)具體考點(diǎn)如表1所示。主要概括為速率隨溫度變化曲線、轉(zhuǎn)化率或產(chǎn)率隨溫度變化曲線和轉(zhuǎn)化率或產(chǎn)率隨投料(濃度)變化曲線三類。學(xué)生對(duì)這三類圖像問(wèn)題缺少系統(tǒng)認(rèn)知，分析方法與策略欠佳。本文結(jié)合歷年高考真題詳析三種圖像經(jīng)典題型，總結(jié)了解決此題型的基本方法，輔助學(xué)生建立化學(xué)反應(yīng)速率和平衡圖像的認(rèn)知模型如圖2所示，形成速率觀和平衡觀思維，培養(yǎng)變化思維與平衡觀念的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

圖2

高考卷具體圖像2020年全國(guó)卷Ⅰ反應(yīng)速率隨溫度變化曲線山東省2020年普通高中學(xué)業(yè)水平等級(jí)考試化學(xué)試題物質(zhì)能量隨反應(yīng)歷程變化曲線2020年天津卷?yè)p耗率隨濃度變化曲線2019年江蘇卷反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率隨溫度變化曲線2019年北京卷氫氣體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間變化曲線2019年天津卷反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率隨溫度變化曲線2018年江蘇卷反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率隨溫度變化曲線2018年全國(guó)卷Ⅱ積碳量速率隨溫度變化曲線2018年北京卷有機(jī)碳脫除率隨溫度變化曲線2017年全國(guó)卷Ⅱ產(chǎn)率隨溫度變化曲線2017年江蘇卷重金屬離子吸附量隨pH變化曲線2017年天津卷反應(yīng)速率隨溫度變化曲線2016年江蘇卷重金屬離子去除率隨混合物鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化曲線2016年海南卷物質(zhì)能量隨反應(yīng)進(jìn)程變化曲線2016年全國(guó)卷Ⅱ產(chǎn)率隨溫度變化曲線2015年上海卷物質(zhì)能量隨反應(yīng)進(jìn)程變化曲線2015年江蘇卷反應(yīng)物的物質(zhì)的量隨投料比變化曲線2015年海南卷物質(zhì)能量隨反應(yīng)進(jìn)程變化曲線2015年天津卷污水去除率隨加入的鐵的質(zhì)量的變化曲線

類型一 速率隨溫度變化曲線

在化學(xué)反應(yīng)速率與平衡章節(jié)中，“先升后降”圖像最初出現(xiàn)的是如圖1(c)所示速率-時(shí)間圖中，該圖像簡(jiǎn)單清晰，理解難度不大。學(xué)生基本具備分析出“先升”可能是由反應(yīng)放熱、產(chǎn)物具有催化性或催化劑活性隨溫度升高而增強(qiáng)等因素造成的；“后降”的原因可能為反應(yīng)物濃度降低、催化劑中毒失活等。由于高考試題中出現(xiàn)的圖像綜合性更強(qiáng)，學(xué)生需靈活運(yùn)用相關(guān)知識(shí)。

【例1】(2018·全國(guó)卷Ⅱ·27節(jié)選)CH4-CO2的催化重整不僅可以得到合成氣(CO和H2)，還對(duì)溫室氣體的減排具有重要意義?；卮鹣铝袉?wèn)題：

(2)反應(yīng)中催化劑活性會(huì)因積碳反應(yīng)而降低，同時(shí)存在的消碳反應(yīng)則使積碳量少。相關(guān)數(shù)據(jù)如表：

積碳反應(yīng)CH4(g)C(s)+2H2(g)消碳反應(yīng)CO2(g)+C(s)2CO(g)ΔH/(kJ·mol-1)75172活化能/(kJ·mol-1)催化劑X3391催化劑Y4372

①在反應(yīng)進(jìn)料氣組成、壓強(qiáng)及反應(yīng)時(shí)間相同的情況下，某催化劑表面的積碳量隨溫度的變化關(guān)系如圖所示。升高溫度時(shí)，下列關(guān)于積碳反應(yīng)，消碳反應(yīng)的平衡常數(shù)(K)和速率(v)的敘述正確的是________(填序號(hào))。

圖3

A.K積、K消均增加

B.v積減小、v消增加

C.K積減小、K消增加

D.v消增加的倍數(shù)比v積增加的倍數(shù)大

【答案】AD

【信息提取】①積碳和消碳反應(yīng)均為吸熱反應(yīng)；②橫坐標(biāo)表示溫度，縱坐標(biāo)表示積碳量，未標(biāo)注曲線上各點(diǎn)是否代表平衡狀態(tài)。

【分析】?jī)煞磻?yīng)均為吸熱反應(yīng)，溫度升高，反應(yīng)速率均增加，平衡正向移動(dòng)，平衡常數(shù)增大。在600 ℃前升溫，反應(yīng)相同時(shí)間，積碳反應(yīng)速率增加得更快，積碳量增加使圖像先上升；600 ℃時(shí)積碳量達(dá)到最大值；600 ℃后消碳反應(yīng)速率增加的倍數(shù)比積碳反應(yīng)增加的倍數(shù)大，因而積碳量出現(xiàn)下降趨勢(shì)使圖像后下降。

【關(guān)鍵點(diǎn)】圖像出現(xiàn)“先升后降”這種變化的原因?yàn)闇囟葘?duì)積碳反應(yīng)和消碳反應(yīng)速率影響程度的差異。

圖4

曲線上v最大值所對(duì)應(yīng)溫度稱為該α′下反應(yīng)的最適宜溫度tm。ttm后，v逐漸下降。原因是________________________。

【答案】升高溫度，k增大使v逐漸升高，但α降低使v逐漸下降。

ttm后，k增大對(duì)v的提高小于α引起的降低。

【信息提取】①圖4中縱坐標(biāo)反應(yīng)速率v為速率常數(shù)k和平衡轉(zhuǎn)化率α兩者綜合影響的結(jié)果；②溫度升高，速率常數(shù)k和平衡轉(zhuǎn)化率α對(duì)速率的影響作用相反，前者使其增大，后者使其減小。

【關(guān)鍵點(diǎn)】不局限于教材知識(shí)，即溫度升高速率加快。根據(jù)題干信息分析出溫度對(duì)速率的影響可能為速率常數(shù)改變和平衡移動(dòng)的綜合作用。

【答題關(guān)鍵詞】ttm后，速率常數(shù)k增大的影響小于α降低的影響。

類型二 轉(zhuǎn)化率/產(chǎn)率隨溫度變化曲線

在可逆反應(yīng)中，任何物質(zhì)都不可能被完全消耗，因此反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率不可能為100%。在工業(yè)生產(chǎn)中，常常綜合考慮溫度、壓強(qiáng)、濃度等因素來(lái)適當(dāng)提高轉(zhuǎn)化率，以獲得最佳的經(jīng)濟(jì)效益。在類型二與類型三中將討論反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率或生成物產(chǎn)量受溫度、投料濃度等因素的影響。

【例3】(2019·江蘇卷·15改編)在恒壓、NO和O2的起始濃度一定的條件下，催化反應(yīng)相同時(shí)間，測(cè)得不同溫度下NO轉(zhuǎn)化為NO2的轉(zhuǎn)化率如圖所示。下列說(shuō)法正確的是

( )

B.圖中X點(diǎn)所示條件下，延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間能提高NO轉(zhuǎn)化率

C.圖中Y點(diǎn)所示條件下，增加O2的濃度不能提高NO轉(zhuǎn)化率

D.380℃下，c起始(O2)=5.0×10-4mol·L-1，NO平衡轉(zhuǎn)化率為50%，則平衡常數(shù)K=2 000

【答案】B

【信息提取】①反應(yīng)在恒壓條件下進(jìn)行，②虛線為對(duì)應(yīng)溫度下的平衡轉(zhuǎn)化率，③實(shí)線上各點(diǎn)是否為平衡轉(zhuǎn)化率需進(jìn)一步分析判斷。

【分析】由虛線知，升高溫度平衡轉(zhuǎn)化率降低，說(shuō)明該反應(yīng)為放熱反應(yīng)。實(shí)線約在300 ℃以后與虛線重合，說(shuō)明實(shí)線上的點(diǎn)并非都代表平衡轉(zhuǎn)化率，而是單位時(shí)間轉(zhuǎn)化率。最高點(diǎn)前，由于反應(yīng)時(shí)間有限，NO的轉(zhuǎn)化率未達(dá)該溫度下的平衡轉(zhuǎn)化率，轉(zhuǎn)化率主要受溫度影響，溫度越高，速率越快，轉(zhuǎn)化率越高，曲線呈上升趨勢(shì)。最高點(diǎn)后，反應(yīng)速率加快，反應(yīng)相同時(shí)間，實(shí)線上各點(diǎn)均達(dá)平衡；但因反應(yīng)放熱，與最高點(diǎn)相比，溫度升高，平衡逆向移動(dòng)，平衡轉(zhuǎn)化率降低，故“后降”。

【關(guān)鍵點(diǎn)】①判斷縱軸是否代表平衡轉(zhuǎn)化率；②非平衡轉(zhuǎn)化率用速率觀分析，平衡轉(zhuǎn)化率從平衡移動(dòng)的角度分析。

【例4】(2018·江蘇卷·20節(jié)選)NOx(主要指NO和NO2)是大氣主要污染物之一。有效去除大氣中的NOx是環(huán)境保護(hù)的重要課題。

(4)在有氧條件下，新型催化劑M能催化NH3與NOx生成N2。

②將一定比例的O2、NH3和NOx的混合氣體，勻速通入裝有催化劑M的反應(yīng)器中反應(yīng)(裝置見(jiàn)圖甲)。

甲

乙

反應(yīng)相同時(shí)間NOx的去除率隨反應(yīng)溫度的變化曲線如圖乙所示，在50～250℃范圍內(nèi)隨著溫度的升高，NOx的去除率先迅速上升后上升緩慢的原因是____________________；

當(dāng)反應(yīng)溫度高于380℃時(shí)，NOx的去除率迅速下降的原因可能是____________________。

【答案】迅速上升段是催化劑活性隨溫度升高增大與溫度升高共同使NOx去除反應(yīng)速率迅速增大；上升緩慢段主要是溫度升高引起的NOx去除反應(yīng)率增大 催化劑活性下降；NH3與O2反應(yīng)生成了NO

【信息提取】①根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)生活，混合氣體勻速通過(guò)反應(yīng)器(圖甲)，說(shuō)明反應(yīng)時(shí)間短；②反應(yīng)需使用催化劑，其活性會(huì)受溫度影響。

【分析】由于反應(yīng)物勻速通過(guò)反應(yīng)器，反應(yīng)時(shí)間較短，因此380 ℃前的點(diǎn)為單位時(shí)間非平衡時(shí)NOx的去除率，主要受反應(yīng)速率影響。在50～250 ℃范圍內(nèi)升溫，既直接增大了反應(yīng)速率又增強(qiáng)了催化劑活性，兩者共同作用使去除率迅速增加，圖像呈上升趨勢(shì)；250～380 ℃，催化劑活性達(dá)最大，速率變化主要受溫度影響，因此去除率上升幅度明顯減慢；溫度高于380 ℃后，催化劑活性可能因溫度過(guò)高而降低，因此去除率速率降低，也可能由于溫度過(guò)高，O2和NO發(fā)生了副反應(yīng)，產(chǎn)物亦為氮氧化物，故去除率降低，圖像呈下降趨勢(shì)。

【關(guān)鍵點(diǎn)】①明確曲線上的點(diǎn)代表非平衡時(shí)NOx的去除率，主要受反應(yīng)速率影響；②理解溫度既直接影響反應(yīng)速率又影響催化劑活性，兩者共同影響單位時(shí)間內(nèi)NOx的轉(zhuǎn)化率。

【答題關(guān)鍵詞】溫度與催化劑活性增加共同作用，催化劑活性降低，有副反應(yīng)發(fā)生。

類型三 轉(zhuǎn)化率/產(chǎn)率隨投料(濃度)變化曲線

丁烷和氫氣的混合氣體以一定流速通過(guò)填充有催化劑的反應(yīng)器(氫氣的作用是活化催化劑)，出口氣中含有丁烯、丁烷、氫氣等。下圖為丁烯產(chǎn)率與進(jìn)料氣中n(H2)/n(C4H10)的關(guān)系。圖中曲線呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢(shì)，其降低的原因是____________________。

【答案】氫氣是產(chǎn)物之一，隨著n(H2)/n(C4H10)增大，逆反應(yīng)速率增大。

【信息提取】①混合氣體勻速通過(guò)反應(yīng)器，說(shuō)明反應(yīng)時(shí)間短；②氫氣可活化催化劑。

【分析】由于反應(yīng)時(shí)間短，曲線上升階段的點(diǎn)為非平衡產(chǎn)率。當(dāng)n(H2)/n(C4H10)在0～2范圍時(shí)，催化劑活性受H2量的增加而增強(qiáng)，反應(yīng)速率增大，單位時(shí)間內(nèi)丁烯產(chǎn)率也增大，故曲線呈上升趨勢(shì)。最高點(diǎn)剛好達(dá)平衡狀態(tài)，由題干中的反應(yīng)方程式可知?dú)錃庖彩钱a(chǎn)物之一，產(chǎn)物濃度過(guò)大會(huì)使平衡逆向移動(dòng)，所以在比值為2之后丁烯產(chǎn)率下降。

【關(guān)鍵點(diǎn)】①判斷曲線上各點(diǎn)是否為平衡轉(zhuǎn)化率，②從投料比(即濃度)角度分析對(duì)化學(xué)平衡的影響。

【答題關(guān)鍵詞】H2濃度過(guò)大，平衡逆向移動(dòng)。

通過(guò)對(duì)三大類型中五個(gè)高考經(jīng)典題目的分析，筆者總結(jié)出在解決“先升后降”圖像問(wèn)題時(shí)一般有以下方法步驟：①認(rèn)真審題提煉、獲取有效信息，明確題目作答要求；②全面分析影響目標(biāo)結(jié)果的因素，找準(zhǔn)(速率角度/平衡角度)突破；③規(guī)范答題用語(yǔ)，緊扣速率觀與平衡觀。該方法看似只為突破“先升后降”試題，實(shí)則學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中潛移默化，學(xué)會(huì)連類比物，舉一反三，逐漸具備系統(tǒng)分析速率與平衡圖像題目的策略和能力，建立解決復(fù)雜化學(xué)問(wèn)題的思維認(rèn)知模型。