湖北

催化劑、溫度、壓強、濃度等外界條件對可逆反應(yīng)的影響是化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡章節(jié)的重要內(nèi)容，可結(jié)合實際的生產(chǎn)、生活和科學(xué)研究情境，討論外界條件對可逆反應(yīng)的影響問題，可以考查考生進(jìn)行四個層次的能力，是新高考的熱點問題。

此類問題的難點主要有兩個方面：一是可逆反應(yīng)可受多種外界條件影響，其中溫度、濃度、壓強和催化劑是主要的影響因素，而催化劑的影響又與溫度有關(guān)；二是外界條件可以從多個角度影響可逆反應(yīng)，如反應(yīng)速率、反應(yīng)限度、反應(yīng)能耗以及反應(yīng)設(shè)備要求等。筆者發(fā)現(xiàn)，運用辯證思維能有效解決與外界條件對可逆反應(yīng)的影響有關(guān)的問題。

一、辯證思維的運用基礎(chǔ)

辯證思維是認(rèn)識事物的科學(xué)思維方式，其特點是從影響事物的各個相互聯(lián)系的方面進(jìn)行分析，以便從整體上、本質(zhì)上全面地認(rèn)識事物。溫度、壓強、濃度和催化劑是影響可逆反應(yīng)的關(guān)鍵因素，從這些方面進(jìn)行綜合分析能更加完整地認(rèn)識外界條件對可逆反應(yīng)的影響。對立統(tǒng)一規(guī)律是辯證思維的基本規(guī)律之一，揭示了事物發(fā)展變化的根本原因是具有矛盾性。例如對于合成氨反應(yīng)來說，高溫有利于加快反應(yīng)速率，卻不利于提高反應(yīng)限度，那么合成氨的條件是選擇低溫還是高溫就需要在對立中把握反應(yīng)速率與反應(yīng)限度的平衡，即根據(jù)催化劑活性選擇反應(yīng)溫度。分析綜合是辯證思維的體現(xiàn)，分析是把可逆反應(yīng)分解為反應(yīng)速率、反應(yīng)限度、生產(chǎn)能耗等不同的方面，分別研究外界條件對這些方面的影響，而綜合是按照實際生產(chǎn)條件的要求、結(jié)合化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡移動原理進(jìn)行綜合調(diào)控，以形成更加深刻的認(rèn)識。

二、辯證思維的運用模型

在高考題中，外界條件對可逆反應(yīng)的影響涉及多個方面，如溫度、催化劑、濃度、壓強等，所以在分析題目時首先要確定研究對象，再分析對象的各個影響因素，研究單個因素對其產(chǎn)生的影響，最后按照實際生產(chǎn)的需要在對立中把握統(tǒng)一，辨別主要因素和次要因素，綜合分析結(jié)果，進(jìn)而得出結(jié)論。運用辯證思維解答此類問題的思維模型如圖1所示：

圖1

三、辯證思維的運用實例

式中：k為反應(yīng)速率常數(shù)，隨溫度t升高而增大；α為SO2平衡轉(zhuǎn)化率，α′為某時刻SO2轉(zhuǎn)化率，n為常數(shù)。在α′=0.90時，將一系列溫度下的k、α值代入上述速率方程，得到v-t曲線，如圖2所示。

圖2

曲線上v最大值所對應(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】溫度升高，k增大使v逐漸提高，但α降低使v逐漸下降。當(dāng)ttm，k增大對v的提高小于α引起的降低

【解析】該圖為速率—溫度曲線，研究對象是速率，根據(jù)速率方程，在α′一定的情況下，影響速率大小的因素有兩個：k和α。運用辯證思維的分析模型如圖3：

圖3

【點撥】在本題中，分析對象是速率，圖像信息只涉及了溫度對反應(yīng)速率的影響，但是結(jié)合速率方程可知溫度是通過影響k和α兩個方面最終影響反應(yīng)速率，再分析溫度變化對這兩個因素的影響，最后進(jìn)行綜合分析得出結(jié)論。分析過程體現(xiàn)了辯證思維的特點，從對象在各個方面的相互聯(lián)系中進(jìn)行考查，以便從整體和本質(zhì)上認(rèn)識對象。

圖4

②在恒容的密閉容器中充入一定量的NO和O2氣體，保持其他條件不變，控制反應(yīng)溫度分別為T3和T4(T4>T3)，測得c(NO)隨t(時間)的變化曲線如圖5。轉(zhuǎn)化相同量的NO，在溫度________(填“T3”或“T4”)下消耗的時間較長，試結(jié)合反應(yīng)過程能量圖(圖4)分析其原因：。

圖5

【答案】T4溫度升高，反應(yīng)Ⅱ的速率加快；ΔH1<0，溫度升高，反應(yīng)Ⅰ平衡逆向移動，c(N2O2)減小，反應(yīng)速率減慢。濃度降低的影響大于溫度對反應(yīng)Ⅱ速率的影響

【解析】分析曲線可知，轉(zhuǎn)化相同量的NO在溫度為T4時消耗的時間較長，說明溫度為T4時反應(yīng)速率較慢，為什么溫度越高反應(yīng)速率越慢呢？當(dāng)影響反應(yīng)速率的變量只有溫度時，則溫度升高，反應(yīng)速率加快。故一旦出現(xiàn)溫度升高反應(yīng)速率卻減慢的情況，則可判斷影響反應(yīng)速率的因素除了溫度外，還可能有反應(yīng)物濃度或催化劑的活性等其他因素。

結(jié)合圖4所示反應(yīng)歷程可知Ea1

圖6

【點撥】本題綜合性較強，問題層次較深，分析影響反應(yīng)速率的因素難度較大。其一是考查了化學(xué)反應(yīng)歷程的相關(guān)知識，即活化能越小反應(yīng)速率越快，總反應(yīng)速率由慢反應(yīng)過程的速率決定；其二是影響反應(yīng)Ⅱ速率的因素有溫度和反應(yīng)物的濃度，反應(yīng)Ⅰ快速平衡后在溫度的影響下平衡發(fā)生移動，導(dǎo)致N2O2濃度減小，間接造成了對反應(yīng)Ⅱ速率的影響。慢反應(yīng)即反應(yīng)Ⅱ是決定總反應(yīng)速率的步驟，但在溫度變化時反應(yīng)Ⅰ也通過平衡移動所產(chǎn)生的影響證明了自己的重要性，所以反應(yīng)歷程中的兩步反應(yīng)過程彼此聯(lián)系、相互影響，體現(xiàn)了認(rèn)識事物就要認(rèn)識事物的各個方面，認(rèn)識事物本質(zhì)的辯證思維。

【例3】(2019·江蘇卷·20節(jié)選)CO2的資源化利用能有效減少CO2排放，充分利用碳資源。

(3)CO2催化加氫合成二甲醚是一種CO2轉(zhuǎn)化方法，其過程中主要發(fā)生下列反應(yīng)：

ΔH=-122.5 kJ·mol-1

在恒壓、CO2和H2的起始量一定的條件下，CO2平衡轉(zhuǎn)化率和平衡時CH3OCH3的選擇性隨溫度的變化如圖7。其中：

圖7

①溫度高于300℃，CO2平衡轉(zhuǎn)化率隨溫度升高而上升的原因是。

【答案】反應(yīng)Ⅰ為吸熱反應(yīng)，升高溫度，平衡向正反應(yīng)方向移動，CO2的平衡轉(zhuǎn)化率增大，反應(yīng)Ⅱ為放熱反應(yīng)，升高溫度，平衡向逆反應(yīng)方向移動，CO2的平衡轉(zhuǎn)化率降低。根據(jù)圖像可知上升幅度超過下降幅度

【解析】題目分析的對象是CO2的平衡轉(zhuǎn)化率，由反應(yīng)Ⅰ和反應(yīng)Ⅱ共同決定，運用辯證思維的分析模型如圖8：

圖8

【點撥】本題的分析對象是CO2的平衡轉(zhuǎn)化率，反應(yīng)對象涉及相互關(guān)聯(lián)且相互競爭的兩個反應(yīng)，而兩個反應(yīng)中一個是吸熱反應(yīng)，一個是放熱反應(yīng)，反應(yīng)特點不同，升高溫度對兩個可逆反應(yīng)的影響結(jié)果相互矛盾，最終的結(jié)論表現(xiàn)了矛盾雙方的對立統(tǒng)一。

解答此類題時一定要辨析清楚題目所給出的轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)率、體積分?jǐn)?shù)或含量是否為平衡狀態(tài)的量，若不是平衡量，問題的分析角度就會發(fā)生變化。

以丙烯、氨、氧氣為原料，在催化劑存在下生成丙烯腈(C3H3N)和副產(chǎn)物丙烯醛(C3H4O)的熱化學(xué)方程式如下：

(2)圖9為丙烯腈產(chǎn)率與反應(yīng)溫度的關(guān)系曲線，最高產(chǎn)率對應(yīng)的溫度為460℃。低于460℃時，丙烯腈的產(chǎn)率________(填“是”或者“不是”)對應(yīng)溫度下的平衡產(chǎn)率，判斷理由是

；

高于460℃時，丙烯腈產(chǎn)率降低的可能原因是________(雙選，填標(biāo)號)。

A.催化劑活性降低 B.平衡常數(shù)變大

C.副反應(yīng)增多 D.反應(yīng)活化能增大

圖9

【答案】不是 該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，平衡產(chǎn)率應(yīng)隨溫度升高而降低 AC

【解析】本題曲線中的產(chǎn)率未指明是否為平衡產(chǎn)率。當(dāng)溫度低于460℃時，產(chǎn)率隨溫度的升高而增大，變化結(jié)果與平衡產(chǎn)率的變化趨勢不一致，所以此時為非平衡產(chǎn)率。溫度高于460℃時的產(chǎn)率是否一定為平衡產(chǎn)率呢？通過分析題干信息可知，反應(yīng)除了生成丙烯腈外還有副產(chǎn)物丙烯醛生成，所以影響產(chǎn)率的因素可能還存在副反應(yīng)；反應(yīng)條件有催化劑，而催化劑的活性會受到溫度的影響；當(dāng)然，如果反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，則升高溫度平衡逆向移動也可能導(dǎo)致產(chǎn)率降低。運用辯證思維的分析模型如圖10：

圖10

【點撥】溫度低于460℃時，產(chǎn)率隨溫度的變化結(jié)果與平衡產(chǎn)率隨溫度的變化趨勢不一致，所以此時為非平衡產(chǎn)率，這個結(jié)論相對容易得出。但溫度高于460℃時的產(chǎn)率是否一定為平衡產(chǎn)率呢？圖10是產(chǎn)率—溫度曲線，隨溫度的變化曲線出現(xiàn)了拐點，按照學(xué)生的習(xí)慣性思維，容易誤判為最高點和最高點之后是平衡狀態(tài)，最高點之前是非平衡狀態(tài)，所以培養(yǎng)學(xué)生的辯證思維能有效解決思維定式的問題。從辯證思維的角度全面分析影響產(chǎn)率的因素，并且認(rèn)識到這些因素之間是彼此聯(lián)系的，如加入催化劑能加快反應(yīng)的速率，升高溫度也能加快反應(yīng)的速率，但兩個因素同時作用時，對速率的影響結(jié)果就不能確定了，因為催化劑的催化活性受到溫度的影響。

本題影響產(chǎn)率的因素除平衡移動因素外，還有速率因素和副反應(yīng)因素，所以溫度高于460℃時的產(chǎn)率不一定是平衡產(chǎn)率。但如果影響因素只有平衡移動，則該產(chǎn)率為平衡產(chǎn)率。故在遇到此類問題時，若判斷影響因素有多個時，則應(yīng)先分析單一因素的影響，再進(jìn)行綜合分析。

四、啟發(fā)

“外界條件對可逆反應(yīng)的影響”的相關(guān)問題包含外界條件對濃度、速率、轉(zhuǎn)化率、含量等多個方面的影響，這些因素之間又相互聯(lián)系，試題中所討論的可逆反應(yīng)狀態(tài)一般涉及非平衡和平衡兩種狀態(tài)，非平衡狀態(tài)下的影響主要是從速率的角度討論，平衡狀態(tài)下的影響主要從平衡移動的角度討論?？v觀此類高考題的設(shè)問，大都情況復(fù)雜、綜合性較強、難度較大，辯證思維是解決此類高考題的有效方法，運用辯證思維模型，先確定研究對象，判斷可逆反應(yīng)所處狀態(tài)，依據(jù)事物之間的普遍聯(lián)系找出影響對象的不同因素，再依據(jù)反應(yīng)速率理論和化學(xué)平衡原理分析影響對象的結(jié)果，最后按照對立統(tǒng)一的規(guī)律從整體上、本質(zhì)上進(jìn)行綜合以得出結(jié)論。