董 梅 趙雪

(1.山東省泰山中學 2.山東省教育招生考試院)

在新高考中,素養(yǎng)立意下化學反應原理試題越來越受到教師和學生的重視.在理解試題情境的基礎上,能夠迅速建構模型、確立思維框架,并準確獲取關鍵信息,利用變化觀念與平衡思想進行信息加工與重組,進而定性判斷與定量表達是解決化學反應原理問題的一般思路與方法,而在建構模型中化繁為簡,卻是理解和解決問題的關鍵.本文以2022年山東省普通高中學業(yè)水平等級考試第20題為例分析“化繁為簡”在模型構建中的應用.

1 原題呈現(xiàn)

題目利用γ-丁內(nèi)酯(BL)制備1,4-丁二醇(BD),反應過程中伴有生成四氫呋喃(THF)和1-丁醇(BuOH)的副反應,涉及反應如圖1所示.

圖1

已知:①反應Ⅰ為快速平衡,可認為不受慢反應Ⅱ、Ⅲ的影響;②因反應Ⅰ在高壓H2氛圍下進行,故H2壓強近似等于總壓.回答下列問題:

(1)以5.0×10－3molBL 或BD 為初始原料,在493K、3.0×103kPa的高壓H2氛圍下,分別在恒壓容器中進行反應.達平衡時,以BL 為原料,體系向環(huán)境放熱XkJ;以BD 為原料,體系從環(huán)境吸熱YkJ.忽略副反應熱效應,反應Ⅰ焓變ΔH(493K,3.0×103kPa)＝_________kJ·mol－1.

(2)初始條件同上.xi表示某物種i的物質的量與除H2外其他各物種總物質的量之比,xBL和xBD隨時間t變化關系如圖2所示.實驗測得X＜Y,則圖中表示xBL變化的曲線是________;反應Ⅰ平衡常數(shù)Kp＝________kPa－2(保留2 位有效數(shù)字).以BL 為原料時,t1時刻xH2O＝_________,BD 產(chǎn)率為_________(保留2位有效數(shù)字).

圖2

(3)(xBD/xBL)max為達平衡時xBD與xBL的比值.(493 K,2.5×103kPa)、(493 K,3.5×103kPa)、(513K,2.5×103kPa)這3種條件下,以5.0×10－3molBL為初始原料,在相同體積的剛性容器中發(fā)生反應,隨時間t變化關系如圖3所示.

圖3

因反應在高壓H2氛圍下進行,可忽略壓強對反應速率的影響.

曲線a、b、c中,(xBD/xBL)max最大的是________(填代號);與曲線b相比,曲線c達到＝1.0所需時間更長,原因是________.

答案(1)－200(X＋Y).

(2)a、c;8.3×10－8;0.08;39%.

(3)c;由于b和c代表的溫度相同,而壓強對反應速率的影響可忽略,壓強增大反應Ⅱ、Ⅲ均是逆向移動,(xBD/xBL)max增大,曲線c達到＝1.0所需時間更長.

2 試題分析

2.1 素材選取分析

試題選取了“利用γ-丁內(nèi)酯(BL)制備1,4-丁二醇(BD)”真實生產(chǎn)過程作為背景材料,該生產(chǎn)工藝取自于《Chemical Engineering Progress》雜志.選取真實生產(chǎn)和化學前沿進行多角度的原理分析與探究,是山東省普通高中學業(yè)水平等級考試原理試題的一貫風格和顯著特點.從素材選取角度看,試題展現(xiàn)的是真實的探究過程,符合《普通高中化學課程標準(2017年版2020年修訂)》中所提出的“以真實情境為測試載體”的命題原則,體現(xiàn)了“重視開展高水平的實驗探究活動”的教學導向,以引導高中化學教學中重視培養(yǎng)關鍵能力,助力提升學生的核心素養(yǎng).

高中化學課程中,要求學生能從化學反應與能量、化學反應的方向、限度和速率等方面探索化學反應的規(guī)律和應用,進一步認識化學變化所遵循的基本原理,初步形成關于物質變化的科學觀念.能書寫平衡常數(shù)的表達式,能進行平衡常數(shù)、轉化率的簡單計算,能運用濃度、壓強、溫度等因素對化學平衡的影響規(guī)律,推測平衡移動方向及濃度、轉化率等相關物理量的變化.雖然學生在學習過程中進行了大量相關練習,習得了相關的解決問題的經(jīng)驗和方法,但以往的練習中多為僅涉及一個可逆反應的簡單平衡體系,而此題目涉及可逆反應、平行反應、連續(xù)反應,在新的情境下、在更為復雜的平衡體系中提取信息、梳理信息,構建模型,進行原理分析和數(shù)理計算,仍是學生的弱點.

2.2 呈現(xiàn)形式分析

試題信息和任務的呈現(xiàn)簡單明了.首先,題干中簡明扼要地給出問題情境:利用γ-丁內(nèi)酯(BL)制備1,4-丁二醇(BD),除主反應Ⅰ外,反應過程中伴有生成四氫呋喃(THF)和1-丁醇(BuOH)的副反應Ⅱ和Ⅲ.然后給出信息①和②,之后是3 個問題鏈,問題(1)中在給定溫度和壓強的條件下,忽略副反應,分別以等物質的量的BL、BD 為初始原料,給出了達到平衡時的放熱和吸熱情況,計算該條件下反應Ⅰ的焓變;問題(2)中以圖像的形式給出不同情況下某物種i的物質的量分數(shù)xi,通過對反應熱的分析和數(shù)據(jù)的判斷,找出曲線的對應關系并對平衡常數(shù)、xH2O和BD的產(chǎn)率進行計算;問題(3)的圖像給出了隨時間t變化的3條曲線,分析溫度、壓強對(xBD/xBL)max及速率的影響情況.

試題的呈現(xiàn)形式豐富新穎,通過設置與設問相關的文字、符號描述、反應過程的流程圖、多個變量隨時間t變化關系圖像的情境,考查化學反應與能量、化學反應平衡與速率等規(guī)律和應用的核心知識點,突出“變化觀念與平衡思想”“證據(jù)推理與模型認知”“科學探究與創(chuàng)新意識”等化學學科核心素養(yǎng),符合“以核心素養(yǎng)為測試宗旨”“以實際問題為測試任務”的命題原則.

2.3 解題思路分析

將復雜的表述簡單化、符號化處理,厘清條件(特別注意特殊條件).題干中看上去復雜的3個化學方程式經(jīng)結構化處理后,呈現(xiàn)在眼前的化學反應信息直觀、可見,將原題中圖1簡化處理后可知:

可逆反應(快速平衡):

連續(xù)平行反應(慢反應):

對BL、BD、THF等物質用簡單的符號進行表征,厘清反應Ⅰ與反應Ⅱ、Ⅲ的區(qū)別與關系之后,題目的結構更加清晰.

第(1)問:在2 種不同投料方式的情況下,利用“三段式”可推知反應Ⅰ可達到相同的化學平衡狀態(tài),結合信息“高壓H2氛圍下,H2壓強等于總壓且保持不變”,設初始氫氣的物質的量為n,基于三段式法進行定量計算,列出平衡常數(shù)Kp(BL 為初始原料)、Kp(BD為初始原料)表達式.設2種不同投料方式下BL的物質的量的變化量分別為x、y.

定量闡釋:計算結果表明,無論以BL 或BD 為初始原料,最終達到的平衡狀態(tài)是相同的(若投料為1mol,二者反應進度絕對值之和為1).因此,若有5.0×10－3molBL 完全反應,體系將向環(huán)境放熱(X＋Y)kJ;而對于化學反應

其焓變?yōu)?molBL完全轉化成BD 的等壓反應熱.由此推知:反應Ⅰ焓變

上述過程可借用數(shù)學中的“相遇問題”模型進行簡化處理,可用圖4表示.

圖4

通過示意圖可知,若5.0×10－3molBL完全轉化成BD,放出熱量(X＋Y)kJ,反應Ⅰ焓變

第(2)問:結合題目中的重要信息:“以BL 為原料,體系向環(huán)境放熱XkJ;以BD 為原料,體系從環(huán)境吸熱YkJ”“實驗測得X＜Y”及兩次實驗條件是起始溫度、壓強和物料(以5.0×10－3molBL 或BD 為初始原料)相同的前提下,可推測出2次實驗可達相同的化學平衡狀態(tài)且BL、BD 在平衡體系中的占比xBL＞xBD,由此可知,圖中表示xBL變化的曲線為x數(shù)值較大的a、c.

Kp的計算:首先明確反應Ⅰ的Kp的表達式:

在相同的條件下(溫度和壓強)BL 和BD 的分壓之比與物質的量之比、在相同平衡體系中的物質的量分數(shù)相等,則

以BL為原料時,t1時刻的xH2O:分析簡化處理后的反應為

反應Ⅱ和反應Ⅲ中生成的H2O 的總量與THF、BuOH 的總量相同,xBL、xBD分別為0.48、0.36,因此xH2O＝(1－0.48－0.36)÷2＝0.08.

計算以BL為原料時,t1時刻BD 的產(chǎn)率:

讀圖可知t1時刻xBD＝0.36,xBL＝0.48,計算可知THF、BuOH 的xi之和為0.08,將x當作物質的量進行模型簡化,可推知投入的原料為

題目所給的3種條件改變的變量分別是溫度和壓強,明確指出壓強對反應速率的影響可忽略,因此本題中影響反應速率的主要因素是溫度,而影響平衡的主要因素為溫度和壓強.

反應Ⅰ是氣體體積減小的反應,所以壓強增大,平衡正向移動,生成更多的BD;反應Ⅱ、Ⅲ是氣體體積增大的反應,所以壓強增大,平衡逆向移動,也生成更多的BD.所以高壓條件下(xBD/xBL)max數(shù)值較大.

圖3中,a達到平衡所用的時間最少,說明其反應溫度高.b、c溫度相同,c達到平衡用時與b相比較長,說明c的(xBD/xBL)max更大.

3 反思與總結

通過對近幾年試題的分析,我們發(fā)現(xiàn)在學習中應特別重視必備知識的積累、整合和關聯(lián).在學習過程中,夯實基礎的同時,重視知識的結構化處理,便于快速提取解決問題中用到的概念、規(guī)律、方法,努力把每一個概念及理論真正弄清楚,深刻理解其內(nèi)涵和外延,熟悉在新的情境下的遷移應用.

在本題的具體解決過程中,我們發(fā)現(xiàn)模型的簡化處理是分析化學平衡問題的利器.xi中的“ⅰ”的理解和使用是簡化計算的妙招;阿伏加德羅定律的推論中“同溫同容下各氣體分壓之比等于物質的量之比”的靈活使用也能大大減少計算量;通過對題目中一個新穎的物理量——(xBD/xBL)max及其與時間的關系圖像的分析,能解讀出該圖反應溫度和壓強下的化學平衡與速率的關系,并將圖像“翻譯”成熟悉的文字表達,以應用“數(shù)形結合法”實現(xiàn)問題解決.掌握這種“化繁為簡”的轉化方法,一定能讓學生插上有力的翅膀,奔赴美好的前程.要做到“化繁為簡”,需在審情境時善于提取核心信息、構建模型、應用模型規(guī)律和方法迅速解決問題.師生要多歸納總結,反思問題解決的思路和方法,形成可遷移的思維方法.

(完)