徐凱飛 苗懷儀

(吉林省長春市實驗中學(xué))

新高考下,化學(xué)試題對批判性思維的考查逐漸普及,尤其是一些結(jié)構(gòu)不良問題的分析與探索。此類試題涵蓋面較為廣泛,答案也往往比較開放,很多學(xué)生反饋這類試題很難,筆者針對特定模型的“U(V)型”圖或“倒U(V)型”圖類試題進(jìn)行了匯總分析。

一、化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡

(一)實時轉(zhuǎn)化率的圖像變化

不同溫度下,“反應(yīng)物以一定流速通過催化劑”或“反應(yīng)經(jīng)相同時間”,反應(yīng)物A的轉(zhuǎn)化率隨溫度的變化關(guān)系一定溫度下,反應(yīng)混合氣體以一定流速通過催化劑,反應(yīng)物A的轉(zhuǎn)化率與另一反應(yīng)物氣體X的濃度變化關(guān)系一定溫度下,氣體反應(yīng)物以不同的流速經(jīng)過反應(yīng)催化裝置,反應(yīng)物A的轉(zhuǎn)化率與氣體流速的關(guān)系T1之前,為非平衡態(tài),轉(zhuǎn)化率隨速率的增大而增大,速率增大的原因可能為:①溫度升高,速率增大;②溫度升高,催化劑活性增強(qiáng)。T1之后,轉(zhuǎn)化率下降,其原因可能為:①T1之后仍為非平衡態(tài):催化劑活性降低導(dǎo)致速率降低幅度超過由于溫度升高使速率增大的幅度;②T1之后為平衡態(tài),該反應(yīng)為放熱反應(yīng),升溫導(dǎo)致反應(yīng)平衡逆向移動;③副反應(yīng)(競爭反應(yīng))程度增大氣體X為另外一種反應(yīng)氣體,隨氣體X的濃度的遞增,A的轉(zhuǎn)化率逐漸上升,當(dāng)氣體X濃度過高時,A轉(zhuǎn)化率下降的原因可能為氣體X濃度過大導(dǎo)致氣體A與催化劑接觸面積減小;或氣體X與某產(chǎn)物發(fā)生副反應(yīng)氣體流速過小,則生成物不能及時從催化劑表面脫附,占據(jù)活性位點,減少了反應(yīng)物與催化劑的活性位點的接觸,反應(yīng)速率降低。氣體流速過大,則會導(dǎo)致反應(yīng)物不能充分地與催化劑接觸,反應(yīng)不充分,以至于轉(zhuǎn)化率降低

非平衡點的轉(zhuǎn)化率大小取決于化學(xué)反應(yīng)速率,而速率的主要影響因素為溫度、催化劑、濃度、壓強(qiáng)和接觸面積等,其中催化劑是高頻考點,而催化劑的催化效率與溫度、接觸面積等因素有關(guān)。所以溫度的改變可能會造成“過猶不及”的結(jié)果,則解決此類試題的思路如圖1:

圖1

【例1】(2019年江蘇卷,15題節(jié)選)在恒壓、NO和O2的起始濃度一定的條件下,催化反應(yīng)相同時間。測得不同溫度下NO轉(zhuǎn)化為NO2的轉(zhuǎn)化率如圖中實線所示(圖2中虛線表示相同條件下NO的平衡轉(zhuǎn)化率隨溫度的變化)。下列說法正確的是

( )

圖2

B.圖中X點所示條件下,延長反應(yīng)時間能提高NO的轉(zhuǎn)化率

C.圖中Y點所示條件下,增加O2的濃度不能提高NO的轉(zhuǎn)化率

【分析】

圖中虛線代表平衡轉(zhuǎn)化率,實線代表實時轉(zhuǎn)化率,兩線合并時說明當(dāng)前處于平衡狀態(tài),根據(jù)平衡態(tài)時升溫導(dǎo)致轉(zhuǎn)化率降低,說明平衡逆向移動,可以判斷該反應(yīng)為放熱反應(yīng);Y點根據(jù)勒夏特列原理,增大氧氣濃度,平衡正移,可以提高NO轉(zhuǎn)化率。X點為非平衡態(tài),若延長時間可以達(dá)到平衡。

(二)平衡轉(zhuǎn)化率/產(chǎn)率/百分含量的圖像變化

雙平衡體系中,物質(zhì)A在兩組反應(yīng)方程式中均有參與,改變影響平衡的某一因素(溫度或壓強(qiáng)),平衡發(fā)生移動,物質(zhì)A的轉(zhuǎn)化率變化圖像一定溫度下,按不同投料比加入反應(yīng)物,平衡后所得生成物的體積分?jǐn)?shù)與投料比的關(guān)系圖根據(jù)勒夏特列原理,改變某一因素后,平衡會發(fā)生移動,但兩組反應(yīng)移動后,對α(A)的影響結(jié)果是相反的。一組移動后α(A)增加,而另一組減少。此時我們要結(jié)合圖像進(jìn)行平衡移動程度大小的判斷當(dāng)反應(yīng)物的投料比等于化學(xué)反應(yīng)方程式的系數(shù)比時,生成物的體積分?jǐn)?shù)最大

【例2】(2018年全國Ⅱ卷,27題節(jié)選)反應(yīng)中催化劑活性會因積碳反應(yīng)而降低,同時存在的消碳反應(yīng)則使積碳量減少。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-175172活化能(kJ·mol-1)催化劑X3391催化劑Y4372

在反應(yīng)進(jìn)料氣組成、壓強(qiáng)及反應(yīng)時間相同的情況下,某催化劑表面的積碳量隨溫度的變化關(guān)系如圖3所示。升高溫度時,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________(填標(biāo)號)。

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

【分析】圖像中的積碳量先增加后減小也體現(xiàn)出了溫度變化對平衡移動的影響,升溫積碳反應(yīng)和消碳反應(yīng)平衡均正移,碳的量的變化相反,600℃之前積碳速率大于消碳速率,600℃之后消碳速率大于積碳速率,說明升溫消碳反應(yīng)速率變化倍數(shù)更大。

(三)化學(xué)反應(yīng)速率的圖像變化

多因素控制v(速率)T(溫度)圖像v(速率)t(時間)圖像T1之前,反應(yīng)速率隨溫度升高而增大;T1之后,反應(yīng)速率隨溫度上升而下降。原因可能為:①有酶參與的反應(yīng),溫度高酶會失去活性;②有催化劑參與的反應(yīng),升高溫度,催化劑活性降低;③有氣體參與的液相反應(yīng),升高溫度,氣體的溶解度減小;④加熱時易分解的物質(zhì)(H2O2、NH3·H2O等)分解;⑤加熱時易揮發(fā)的物質(zhì)(濃硝酸、濃鹽酸)大量揮發(fā);⑥加熱時易水解的物質(zhì)轉(zhuǎn)化為膠體或沉淀綜合題干信息,進(jìn)行各因素影響程度大小的判斷:升高溫度,可以提高速率常數(shù),從而提高化學(xué)反應(yīng)速率;但在某些題中,存在一些反常規(guī)的信息,“升溫也可能使速率降低”,速率先升高后降低的現(xiàn)象用各因素對速率的影響程度大小來分析Ⅰ.自催化反應(yīng)例如H2SO4酸化的高錳酸鉀與草酸反應(yīng),生成了MnSO4,生成物也可以作為催化劑,提高反應(yīng)速率。所以t1之前,速率逐漸變大。t1之后,濃度對反應(yīng)速率的影響成為主要因素,反應(yīng)物濃度降低,導(dǎo)致反應(yīng)速率減慢。Ⅱ.放熱反應(yīng)t1之前,反應(yīng)放熱,溫度升高使速率逐漸變大。t1之后由于濃度降低導(dǎo)致速率降低的影響更大

圖4

【答案】升高溫度,k增大使v逐漸提高,但α降低使v逐漸下降。當(dāng)ttm后,k增大對v的提高小于α引起的降低。

【分析】結(jié)構(gòu)不良問題的思辨能力的考查?；谒俾史匠痰谋磉_(dá)式分析,尋找證據(jù),建立聯(lián)系,找出因果關(guān)系,得出相關(guān)結(jié)論。學(xué)生所掌握的規(guī)律是溫度升高,速率變大,但圖像的結(jié)果是tm后再升溫速率減小,學(xué)生產(chǎn)生認(rèn)知沖突,而問題的關(guān)鍵就是解決這個認(rèn)知沖突。

二、電解質(zhì)溶液

(一)電導(dǎo)率圖像

溶液的導(dǎo)電能力取決于電荷濃度,即離子濃度和離子所帶電荷數(shù)。在電解質(zhì)溶液中,由于元素是守恒的,所以離子所帶電荷數(shù)不會改變,分析時從離子數(shù)目和溶液體積變化著手。

弱電解質(zhì)溶解稀釋圖像離子反應(yīng)最高點之前:未達(dá)電離平衡狀態(tài),弱電解質(zhì)分子的電離速率大于離子的結(jié)合速率,導(dǎo)致水中的離子濃度增大,電導(dǎo)率增強(qiáng);最高點之后:達(dá)到電離平衡狀態(tài),繼續(xù)加水,電離平衡雖然正移,但離子濃度降低,電導(dǎo)率下降“弱”+“弱”→“強(qiáng)”最高點之前:溶液為弱電解質(zhì)溶液,微弱電離,離子濃度小,加入另一弱電解質(zhì)反應(yīng)生成強(qiáng)電解質(zhì),完全電離,離子濃度變大,電導(dǎo)率上升;最高點為恰好反應(yīng)點;最高點之后:弱電解質(zhì)溶液過量,離子濃度再下降,電導(dǎo)率變小“強(qiáng)”+“強(qiáng)”→“弱”+“沉”最低點之前:溶液為強(qiáng)電解質(zhì),完全電離,離子濃度大,加入另一種強(qiáng)電解質(zhì)生成沉淀及弱電解質(zhì),離子濃度變小,電導(dǎo)率下降;最低點為恰好反應(yīng)點;最低點之后:強(qiáng)電解質(zhì)過量,離子濃度再提升,電導(dǎo)率增大

【例4】一定溫度下,將一定質(zhì)量的冰醋酸加水稀釋過程中,溶液的導(dǎo)電能力變化如圖5所示,下列說法正確的是

( )

圖5

A.a、b、c三點溶液的pH:c

B.a、b、c三點CH3COOH的電離程度:a

C.用濕潤的pH試紙測量a處溶液的pH,測量結(jié)果偏大

【分析】b點之前向冰醋酸中加水,醋酸不斷溶解、電離,直至達(dá)到平衡點b,此時離子濃度最大,即H+、CH3COO-濃度達(dá)到最大值,pH最小。b點之后,不斷加水稀釋,電離程度逐漸變大,但離子濃度逐漸減小。

(二)離子濃度圖像

中和滴定過程中,水的電離程度與所加溶液體積的關(guān)系必備知識—水的電離的影響因素抑制:降溫、酸、堿、強(qiáng)酸的酸式鹽、電離程度大于水解程度的弱酸酸式鹽;促進(jìn):升溫、能水解的正鹽、水解程度大于電離程度的弱酸酸式鹽、能與水反應(yīng)的物質(zhì)(Na、NaH、Mg3N2等)常溫下,純水中c水(H+)=c水(OH-)=1×10-7 mol/L,a點之前c水(H+)<1×10-7 mol/L說明溶質(zhì)為抑制水的電離的酸或堿或電離大于水解的酸式鹽,以NaOH溶液滴定醋酸為例,醋酸對水的電離起抑制作用;外加NaOH中和之后生成醋酸鈉,醋酸對水的電離的抑制作用逐漸減弱,醋酸鈉對水的電離的促進(jìn)作用逐漸增強(qiáng);到達(dá)第一個c水(H+)=1×10-7 mol/L點時,兩項作用剛好抵消,此時恰好為中性點;達(dá)到b點時,酸堿恰好完全中和,此時只有醋酸鈉的促進(jìn)作用,水的電離程度最大,此時溶液呈堿性,溶液中的OH-全部來源于水;之后再加入NaOH,堿電離出的OH-抑制水的電離,c水(H+)又逐漸減少,c點溶液呈堿性,且堿性比b點強(qiáng)

【例5】常溫下,向20.00 mL 0.1 mol·L-1HA溶液中滴入0.1 mol·L-1NaOH溶液,溶液中由水電離出的氫離子濃度的負(fù)對數(shù)[-lgc水(H+)]與所加NaOH溶液體積的關(guān)系如圖6所示,下列說法中不正確的是

( )

圖6

B.M、P兩點溶液對應(yīng)的pH=7

【分析】N點水的電離程度最大,所以是恰好完全反應(yīng)生成NaA,此時呈堿性,再加NaOH才能達(dá)到P點,故P點不是中性點,M點為中性點。要求學(xué)生能夠根據(jù)本圖像進(jìn)行思維轉(zhuǎn)換,建立與pH變化圖像的聯(lián)系。

三、連續(xù)型反應(yīng)

一定溫度下,向溶液B中通入氣體A或加入物質(zhì)A,體系中物質(zhì)C的量的變化HNO3→Fe(NO3)3→Fe(NO3)2Ca(OH)2→CaCO3→Ca(HCO3)2H2SO3→H2SO4→HClO

有關(guān)連續(xù)反應(yīng)的例子不勝枚舉,體現(xiàn)了由量變到質(zhì)變的化學(xué)反應(yīng)特點。高考中側(cè)重對新情境問題的考查,需要學(xué)生們結(jié)合圖像變化和物質(zhì)的性質(zhì),找出合理證據(jù),分析作答。

【例6】(2023年湖北模擬節(jié)選)工業(yè)生產(chǎn)中,氧化劑的實際使用量和理論計算量之間的比值稱為配氧率。如圖7是配氧率對碘單質(zhì)回收率的影響曲線圖。試解釋配氧率選擇112～113之間的原因。

圖7

【答案】配氧率過低,I-不能完全轉(zhuǎn)化為碘單質(zhì);配氧率過高,可能發(fā)生副反應(yīng),使碘單質(zhì)進(jìn)一步被氧化為碘酸根,或耗費大量氧化劑。

四、其他

熱化學(xué)能量變化圖像學(xué)生能夠識別圖像,知道圖像中各符號的意義,并能夠應(yīng)用計算。提示學(xué)生注意區(qū)分“活化能”與“總鍵能” “鍵能”與“能量”以及各物理量與反應(yīng)熱的定量關(guān)系,強(qiáng)化學(xué)生對概念的理解與應(yīng)用電化學(xué)混合型電解質(zhì)分階段電解學(xué)生要明確放電順序及離子含量,確定各階段的電解類型(電解電解質(zhì)、放氧生酸、放氫生堿、電解水)、具體的電極反應(yīng)方程式、電子轉(zhuǎn)移定量關(guān)系的同時也要結(jié)合鹽類的水解等知識綜合分析綜合情景問題圖像此類試題要從題干中獲取有效信息,將橫縱坐標(biāo)通過化學(xué)反應(yīng)規(guī)律建立聯(lián)系,結(jié)合關(guān)鍵信息,找出變量的“雙刃劍”式影響

【例7】(2023年1月浙江卷,13題節(jié)選)甲酸(HCOOH)是重要的化工原料。工業(yè)廢水中的甲酸及其鹽,通過離子交換樹脂(含固體活性成分R3N,R為烷基)因靜電作用被吸附回收,其回收率(被吸附在樹脂上甲酸根的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù))與廢水初始pH關(guān)系如圖8(已知甲酸Ka=1.8×10-4),下列說法不正確的是

( )

圖8

C.廢水初始pH<2.4,隨pH下降,甲酸的電離被抑制,與R3NH+作用的HCOO-數(shù)目減少

D.廢水初始pH>5,離子交換樹脂活性成分主要以R3NH+形態(tài)存在

【分析】有效信息:因靜電作用被吸附回收,回收率(被吸附在樹脂上甲酸根的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù))。

命題方向:本題利用新情境,創(chuàng)新性地考查了弱酸弱堿的電離平衡及其影響因素的分析,學(xué)生要做到提取有效信息,靈活運用必備知識,對圖像的變化進(jìn)行辨析。

綜上,此類試題通常具有如下特點:

考查方式關(guān)鍵能力學(xué)科核心素養(yǎng)思維方法哲學(xué)思想解釋闡述,對學(xué)生“知其所以然”的考查圖表類信息的獲取與加工;邏輯推理與論證;批判性思維與辨證能力證據(jù)推理與模型認(rèn)知;變化觀念與平衡思想邏輯思維;批判性思維物質(zhì)變化規(guī)律:①量變到質(zhì)變;②矛盾的對立統(tǒng)一規(guī)律

從新高考的考查方向和考查方式上看,高考試題更加關(guān)注學(xué)生對信息的整合、對原因的分析和對結(jié)論的評價。新高考U型或倒U型試題的設(shè)問通常為主觀的文字描述,難度較大。因此在高三復(fù)習(xí)過程中,我們應(yīng)致力于培養(yǎng)學(xué)生“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”的學(xué)科核心素養(yǎng)和推理論證能力,注重知識的邏輯關(guān)系,注重思維的邏輯性,讓學(xué)生真正做到“知其然,知其所以然”。