張 磊 周興璐

(1.江蘇省錫山高級(jí)中學(xué) 214174；2.江蘇省無(wú)錫市藕塘中學(xué) 214153)

化學(xué)平衡和速率的圖像/表格類試題是一種特殊題型，它有一個(gè)十分明顯的特點(diǎn)：通過(guò)直觀、簡(jiǎn)潔、形象的曲線或數(shù)據(jù)將所要考查的知識(shí)蘊(yùn)藏在圖像或表格中，學(xué)生必須先要學(xué)會(huì)分析圖像和表格，才能更好的解答此類題目.該類試題包含的信息容量比較大，對(duì)學(xué)生能力要求比較高，隨著高考的不斷改革以及對(duì)學(xué)科能力學(xué)科素養(yǎng)要求的不斷提高，這種數(shù)形結(jié)合的試題將逢考必現(xiàn).

對(duì)2009～2019年這11年江蘇省新高考化學(xué)卷中出現(xiàn)的有關(guān)化學(xué)平衡圖像在高考中出現(xiàn)的題號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),其結(jié)果見(jiàn)表1.

表1 2009 ～ 2019 年江蘇省高考化學(xué)卷中有關(guān)化學(xué)平衡的題號(hào)

一、問(wèn)題提出

在蘇教版高中化學(xué)選修《化學(xué)反應(yīng)原理》專題2，第二單元和第三單元開(kāi)始接觸化學(xué)平衡，其中提到化學(xué)平衡狀態(tài)是指在一定條件下的對(duì)峙反應(yīng)，當(dāng)正反應(yīng)速率等于逆反應(yīng)速率且不為零時(shí)(v正=v逆≠ 0)，反應(yīng)混合物體系中每一種物質(zhì)的生成與消耗相同，各組分的含量不在改變時(shí)，體系處在一種動(dòng)態(tài)平衡的狀態(tài)，當(dāng)外在因素( 如溫度、濃度或壓力) 發(fā)生變化時(shí)，化學(xué)平衡狀態(tài)隨之發(fā)生移動(dòng)，移動(dòng)的方向可根據(jù)勒夏特列原理進(jìn)行判斷.

在學(xué)習(xí)“化學(xué)平衡狀態(tài)移動(dòng)”之前，學(xué)生已經(jīng)學(xué)會(huì)如何判斷化學(xué)反應(yīng)的方向，即通過(guò)“熵”判據(jù)，熵增有利于反應(yīng)的自發(fā)，“焓”判據(jù)，反應(yīng)放熱有利于自發(fā)，所以利用熵與焓的綜合判據(jù)即ΔG=ΔH-TΔS化學(xué)反應(yīng)的方向，如果ΔH<0，ΔS>0，則ΔG<0一定自發(fā)；如果ΔH>0，ΔS<0，則ΔG>0一定非自發(fā)；如果ΔH<0，ΔS<0或者ΔH>0，ΔS>0，則有可能自發(fā)，但利用焓變與熵變判斷化學(xué)反應(yīng)方向和其他知識(shí)點(diǎn)的相關(guān)性不大，考查往往比較局限.在化學(xué)平衡圖像/表格這類題型中，常常會(huì)讓學(xué)生判斷反應(yīng)方程式的焓變與熵變，那能否通過(guò)這樣一個(gè)化學(xué)熱力學(xué)基礎(chǔ)理論知識(shí)對(duì)化學(xué)平衡移動(dòng)題中的一些信息作出判斷呢？如果將兩者相結(jié)合，既可體現(xiàn)利用焓與熵判斷化學(xué)反應(yīng)方向的考查，又能輕松的解決化學(xué)平衡中的難題，讓學(xué)生學(xué)以致用有利于化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)的培養(yǎng)，因此對(duì)此問(wèn)題很有必要進(jìn)行深入研究，為了得到比較好的結(jié)果，現(xiàn)舉例論證.

二、高考真題分析

圖1

B.若溫度為T(mén)1、T2，反應(yīng)的平衡常數(shù)分別為K1、K2，則K1>K2

C.若反應(yīng)進(jìn)行到狀態(tài)D時(shí)，一定有v正>v逆

D.狀態(tài)A與狀態(tài)B相比，狀態(tài)A的c(I2)大

考點(diǎn)分析考查化學(xué)平衡中的濃度-溫度(c-T)圖像分析問(wèn)題，主要考查焓變、勒夏特列原理、化學(xué)平衡常數(shù)及化學(xué)平衡的移動(dòng)等相關(guān)知識(shí).

表2 反應(yīng)過(guò)程中測(cè)定的部分?jǐn)?shù)據(jù)

下列說(shuō)法正確的是( ).

A.反應(yīng)在前50s的平均速率v(PCl3)= 0.0032 mol·L-1·s-1

B.保持其他條件不變，升高溫度，平衡時(shí)c(PCl3)=0.11 mol·L-1，則反應(yīng)ΔH<0

C.相同溫度下，起始時(shí)向容器中充入1.0mol PCl3、0.20mol Cl2，反應(yīng)達(dá)到平衡前v(正)>v(逆)

D.相同溫度下，起始時(shí)向容器中充入2.0mol PCl3和2.0mol Cl2，達(dá)到平衡時(shí)，PCl3的轉(zhuǎn)化率小于80%

考點(diǎn)分析本題屬于化學(xué)平衡問(wèn)題，考查學(xué)生對(duì)速率，平衡常數(shù)，平衡移動(dòng)等概念的理解與計(jì)算.

圖2

B.體系的總壓強(qiáng)p總：p總(狀態(tài)Ⅱ)>2p總(狀態(tài)Ⅰ)

C.體系中c(CO)：c(CO，狀態(tài)Ⅱ)<2c(CO，狀態(tài)Ⅲ)

D.逆反應(yīng)速率v逆：v逆(狀態(tài)Ⅰ)>v逆(狀態(tài)Ⅲ)

考點(diǎn)分析本題屬于化學(xué)平衡中的濃度-溫度-壓強(qiáng)(c-T-p)圖像分析問(wèn)題，主要考查化學(xué)反應(yīng)與能變變化，熵變、焓變、勒夏特列原理、等效平衡知識(shí).

答案解析選項(xiàng)A.方法一：根據(jù)常見(jiàn)的吸熱反應(yīng)可知，C和CO2反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，故ΔH>0，故A錯(cuò)誤；

方法二：根據(jù)題中圖像可知，圖中為起始投料不同且達(dá)到平衡時(shí)CO2的物質(zhì)的量濃度c(CO2)隨溫度的變化，要判斷反應(yīng)是吸熱還是放熱反應(yīng)，要看溫度對(duì)反應(yīng)平衡的影響，采用控制變量法保持其他變量相同，即選擇其中任意一條曲線分析；隨著溫度的升高，CO2平衡后的物質(zhì)的量濃度減小，平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)；通過(guò)勒夏特列原理可以知道，升高溫度平衡向吸熱方向移動(dòng)，即正反應(yīng)為吸熱反應(yīng)；說(shuō)明：C和CO2反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，ΔH>0 ，所以A錯(cuò)誤.

表3 在3個(gè)容量密閉容器中反應(yīng)過(guò)程測(cè)定的部分?jǐn)?shù)據(jù)

A.該方應(yīng)的正反應(yīng)放熱

B.達(dá)到平衡時(shí)，容器Ⅰ中反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率比容器Ⅱ中的大

C.達(dá)到平衡時(shí)，容器Ⅱ中c(H2)大于容器Ⅲ中c(H2)的兩倍

D.達(dá)到平衡時(shí)，容器Ⅲ中的反應(yīng)速率比容器Ⅰ中的大

考點(diǎn)分析本題考查化學(xué)反應(yīng)速率的影響，涉及等效平衡問(wèn)題，為高頻考點(diǎn)，側(cè)重于學(xué)生的分析能力的考查，題目難度不大，但易錯(cuò)，答題時(shí)注意把握反應(yīng)的特點(diǎn)以及平衡的影響因素.

答案解析選項(xiàng)A.對(duì)比Ⅰ、Ⅲ，如溫度相同，0.1mol/L的CH3OH相當(dāng)于0.20mol/L的H2和0.1mol/L的CO，為等效平衡，但Ⅲ溫度較高，平衡時(shí)CH3OH濃度較低，說(shuō)明升高溫度平衡逆向移動(dòng)，由勒夏特列原理可知，升高溫度應(yīng)該向減弱這一條件的方向移動(dòng)吸熱方向，即逆反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，故A正確.

例5(2019江蘇卷第15題)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3中實(shí)線所示(圖中虛線表示相同條件下NO的平衡轉(zhuǎn)化率隨溫度的變化).下列說(shuō)法正確的是( ).

圖3

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>2000

考點(diǎn)分析本題考查問(wèn)題為化學(xué)平衡中的轉(zhuǎn)化率-溫度(α-T)圖像分析，主要考查轉(zhuǎn)化率、焓變、勒夏特列原理、化學(xué)平衡狀態(tài)相關(guān)知識(shí).

答案解析選項(xiàng)A.圖中虛線為該反應(yīng)NO的平衡轉(zhuǎn)化率，可知升高溫度，NO的平衡轉(zhuǎn)化率降低，平衡逆向移動(dòng)，根據(jù)勒夏特列原理，升高溫度，平衡應(yīng)該向著減弱這一條件的方向移動(dòng)吸熱方向，即逆反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，故正反應(yīng)ΔH<0，所以A錯(cuò)誤.

三、依托真題，巧解難題

由例1-例5，不難發(fā)現(xiàn)每當(dāng)遇到這樣的問(wèn)題不論學(xué)生還是教師都會(huì)從勒夏特列原理角度分析，先判斷化學(xué)平衡后改變溫度或者壓強(qiáng)，根據(jù)平衡移動(dòng)方向決定反應(yīng)的焓變和熵變.但是如果利用焓與熵的關(guān)系作為判斷依據(jù)，來(lái)判斷化學(xué)反應(yīng)的焓變與熵變時(shí)，就顯得異常輕松，一道難題就迎刃而解.

ΔG<0肯定自發(fā)，ΔG>0肯定不自發(fā)，如果ΔG=0時(shí)，化學(xué)反應(yīng)將會(huì)處于化學(xué)平衡狀態(tài)；如果ΔG=0，則有兩種可能ΔH<0，ΔS<0或者ΔH>0，ΔS>0，這樣對(duì)于給定的可逆反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)的化學(xué)方程式，很容易可以判斷出反應(yīng)的熵變，那焓變也呼之欲出了，文章中所選擇的五道例題正是可以利用這一規(guī)律判斷反應(yīng)熵變和焓變.

綜上，雖然江蘇新高考11年以來(lái)，每年都會(huì)涉及到焓變的判斷，但只有這五年的可以這樣去分析，因?yàn)樾枰獫M足一定的條件即可以很明確的判斷出熵變，只要條件允許，無(wú)論圖像分析起來(lái)有多困難，都能夠利用焓變和熵變之間的相互關(guān)系，直接得出準(zhǔn)確的結(jié)論.這也為學(xué)生解題提供了一種新的分析思路，將所學(xué)得以運(yùn)用和發(fā)揚(yáng)；當(dāng)然也遇到過(guò)一些不滿足這一條件的平衡題目，變相說(shuō)明不滿足這一條件的題目在熱力學(xué)上是不予支持的，為教師日后出題提供了一種檢驗(yàn)的方法.