趙雪 孫子秀 劉傳民

摘要： 以山東省普通高中學業(yè)水平等級考試“化學反應速率與限度”試題為例，基于素養(yǎng)立意下高考及等級考試化學學科的考查特點，針對如何面對復雜的試題情境、如何確定正確的認知角度及如何解讀陌生圖像信息等問題，梳理并歸納了學生應建構(gòu)的思維路徑，為該主題的教學提供借鑒。

關鍵詞： 高考化學； 化學反應速率與限度； 化學熱力學； 化學動力學

文章編號： 1005-6629（2023）09-0087-06???中圖分類號： G633.8???文獻標識碼： B

在探索化學變化本質(zhì)和規(guī)律的過程中，化學學科衍生出兩個重要的分支領域——化學熱力學和化學動力學?；瘜W熱力學重在研究化學變化的方向和限度，化學動力學則重在研究化學反應的速率與機理。普通高中化學課程中“化學反應的方向、限度和速率”主題的內(nèi)容設計，就是從熱力學、動力學兩個領域，引導高中學生認識化學變化的本質(zhì)并初步掌握化學反應的基本原理和研究方法?！盎瘜W反應的方向、限度和速率”作為高中化學課程體系中最能體現(xiàn)學科本質(zhì)的內(nèi)容之一，在彰顯學科思想、弘揚學科價值和展現(xiàn)學科魅力等方面都具有獨特的優(yōu)勢。基于此，高考作為高中課程重要的評價方式，一直以來都對上述內(nèi)容的考查給予充分的重視?？梢哉f，“化學反應的方向、限度和速率”既是高中化學課程的核心主干內(nèi)容，同時也是高考重點考查的內(nèi)容，雙重加持下，高中化學教學對這部分內(nèi)容的重視與投入程度不可謂不大。然而，從實測情況來看，“化學反應速率與限度”試題往往是高考試題中對學生挑戰(zhàn)最大的試題。很多學生在考場上沒有思路、無從下手，然而一經(jīng)講解后卻又感覺恍然大悟。這種現(xiàn)象說明學生盡管掌握了該主題的基礎知識，但在面對真實且具有一定復雜程度的試題情境時，往往不能將情境信息與所學知識建立聯(lián)系，也就談不上運用知識解決問題了。面對“化學反應速率與限度”試題，正確的思維路徑是什么？本文以山東省等級考試化學試題為例，對此進行了梳理和歸納。

1? 基于試題情境，提煉反應模型

為落實課程標準“以真實情境為測試載體”的命題原則，高考試題越來越重視情境在試題設計中的作用，追求在真實的特定情境中融入測試任務來考查學生解決實際問題的能力。因此，在當下的“化學反應速率與限度”試題中，以往常見的“A+B

C+D”式的無情境試題已難覓蹤跡，取而代之的是體現(xiàn)學科前沿成果的“學術(shù)探索情境”及再現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)過程的“生產(chǎn)環(huán)保情境”［1］。在價值取向上，這些情境首先應是“真實的”和“科學的”，而不是來自命題人的杜撰與想象。真實情境往往會具有一定的復雜程度，這也使試題在塑造情境時從之前常見的僅涉及一個可逆反應的簡單平衡體系轉(zhuǎn)變?yōu)樯婕岸鄠€反應的更為復雜的平衡體系［2］。分析近年來山東省等級考試試題的情境選材，這一變化趨勢有著清晰的表現(xiàn)（見表1）。

情境的真實性帶來了復雜度的提升，使研究體系所涉及的化學反應看起來錯綜復雜而沒有頭緒，但如果剝?nèi)デ榫车摹巴庖隆?，就會發(fā)現(xiàn)“化學反應速率與限度”試題的考查體系中一定會包括至少一個可逆反應，如果將該反應視為主要研究對象，那么其他反應與該反應之間的關系則分為兩種，或為連續(xù)反應，或為存在競爭關系的平行反應。以此為基礎，再根據(jù)試題信息分析其他反應是否同為可逆反應，它們對主要研究對象的化學平衡會產(chǎn)生何種影響，就可以梳理并歸納出最終的反應關系模型。以2021年試題為例，題目以利用甲醇與烯烴制備汽油添加劑2-甲氧基-2-甲基丁烷（TAME）為情境，構(gòu)建了三個平行的可逆反應：

分析三個反應的關系特點，反應體系最終達到同時化學平衡狀態(tài)，且反應Ⅰ-反應Ⅱ=反應Ⅲ，所以三個反應并非獨立的化學平衡，只要有兩個反應處于平衡狀態(tài)，則另一反應也必然處于平衡狀態(tài)。明確了三個反應的關系，學生在面對不同問題時就能確定需要研究的對象究竟是哪個反應，明確解題線索。在2022年的試題中，題目在以γ-丁內(nèi)酯（BL）制備1，4-丁二醇（BD）為核心反應的基礎上，增加了兩個非可逆的BD轉(zhuǎn)化為四氫呋喃（THF）和1-丁醇（BuOH）的平行副反應，設計了快速平衡+慢反應（非可逆）這一較少在高考試題中出現(xiàn)的連串反應模型：

學生要分析反應Ⅰ與反應Ⅱ、 Ⅲ間的關系，明確討論平衡問題時的研究對象是處于動態(tài)平衡狀態(tài)的反應Ⅰ，而非兩個根本不存在平衡狀態(tài)的副反應。

2? 明確認知角度，抓住核心線索

基于試題情境分析不同反應間的關系，基于研究體系提煉模型，這只是建構(gòu)“化學反應速率與限度”試題思維路徑中的第一步，其目的是基于模型明確分析問題所要采用的認知角度，即從動力學或熱力學角度選擇分析問題的方法［3］。

研究發(fā)現(xiàn)，在反應Ⅰ、 Ⅱ中，H+僅對反應Ⅰ有催化加速作用；反應Ⅰ速率遠大于反應Ⅱ，近似認為反應Ⅰ建立平衡后始終處于平衡狀態(tài)。忽略水的電離，其濃度視為常數(shù)。

相同條件下，若反應起始時溶液中同時還含有0.10mol·L-1鹽酸，則圖示點a， b， c， d中，CO新的濃度峰值點可能是??????? （填標號）。與不含鹽酸相比，CO達濃度峰值時，CO2濃度??????? （填“增大”“減小”或“不變”）。

基于三段式對t1時刻各物質(zhì)的濃度進行計算，H2O的濃度值為常數(shù)c0：

后續(xù)“相同條件下，若反應起始時溶液中同時還含有0.10mol·L-1鹽酸”的兩個問題，實質(zhì)是在考查當有鹽酸時，反應Ⅰ初達平衡狀態(tài)時，CO、 CO2的濃度變化情況。盡管反應Ⅰ平衡常數(shù)不變及CO、 HCOOH濃度比均不變，但考察CO、 CO2的濃度，顯然與反應Ⅰ、 Ⅱ中二者的生成速率有關，于是分析問題的角度就要轉(zhuǎn)變?yōu)閯恿W角度了。從反應速率不受鹽酸影響的反應Ⅱ入手考察CO2的濃度，對于CO新的濃度峰值時刻，反應Ⅱ進行的時間是減少的，那么每一時刻的瞬時生成速率呢？隨著CO生成速率增大，相同時刻進行對比，加入鹽酸時每個時刻對應HCOOH的濃度都是減小的，這就意味著每一個對應時刻CO2的生成速率都是降低的，由此可得到CO2濃度減小的結(jié)論。圖1所示為0～t′1時間段內(nèi)CO2生成速率υ（CO2）變化情況示意圖，0～t′1、 0～t1曲線下相應面積即可代表CO2的濃度變化值。CO2濃度減小，則CO與HCOOH的總濃度增大，結(jié)合CO、 HCOOH濃度比仍為5的結(jié)論，不難判斷新的濃度峰值點應為題中“a”點。

總之，基于試題體系提煉模型只是應對“化學反應速率與限度”問題的第一步，關鍵還在于考察模型特點后建構(gòu)處理各種反應時所應采取的認知角度，只有明確了分析問題所應采取的理論方法，才能夠有的放矢、從容解決問題。

3? 破解圖像信息，厘清問題本質(zhì)

在“化學反應速率與限度”試題中，很多數(shù)據(jù)事實是以圖像的形式加以呈現(xiàn)的，能否快速準確獲取圖像中的信息、建立圖像信息與要解決問題間的內(nèi)在聯(lián)系是實現(xiàn)思維突破的重要一環(huán)。隨著學術(shù)探索情境在高考“化學反應速率與限度”試題中使用的增加，圖像的陌生度、信息量均有所提升，但無論圖像如何呈現(xiàn)，考查的角度不變——仍然是控制變量研究外部條件對反應速率、限度的影響。那么如何從多變的圖像中提取出有用的信息，又如何使用這些信息呢？筆者以為，一是要厘清圖像中相關變量的意義，讀懂圖像找到解決問題的“工具”；二是要明確問題的本質(zhì)是熱力學還是動力學問題，進而確定解決問題時所選用的“工具”。

3.1? 讀懂圖像，明確圖像中變量的化學意義

3.2? 厘清問題本質(zhì)，正確調(diào)用認知角度

讀懂圖像只是找到了解決問題可能用到的證據(jù)，從何種角度運用證據(jù)，還需要學生厘清問題的本質(zhì)是熱力學問題還是動力學問題，如此才能有的放矢地使用證據(jù)。以2021年山東省等級考試20題為例：

［題例］（2021年山東省等級考試20題，節(jié)選）為研究反應體系的動力學行為，向盛有四氫呋喃的另一容器中加入一定量A、 B和CH3OH。控制溫度為353K，A、 B物質(zhì)的量濃度c隨反應時間t的變化如圖所示。代表B的變化曲線為??????? （填“X”或“Y”）；t=100s時，反應Ⅲ的正反應速率υ正??????? 逆反應速率υ逆（填“>”“<”或“=”）。

前文已述，本題的研究體系是包括反應Ⅰ、 Ⅱ、 Ⅲ在內(nèi)的同時平衡體系，現(xiàn)在圖像給出了反應Ⅲ反應物和生成物的濃度變化曲線，并針對某個未達平衡的時刻提出了“t=100s時，反應Ⅲ的正反應速率υ正??????? 逆反應速率υ逆”的問題，速率問題貌似應該屬于動力學范疇，能否通過作曲線切線比較斜率來解釋呢？這樣思考的學生顯然是沒有抓住問題的本質(zhì)，圖中縱坐標表示的是A、 B兩種物質(zhì)的濃度變化情況，但這種濃度變化是由反應Ⅰ、 Ⅱ、 Ⅲ共同導致的，并不能直接代表反應Ⅲ的正、逆反應速率。動力學的角度行不通，就要考慮熱力學角度，平衡常數(shù)的線索作用就此再次體現(xiàn)出來，通過比較Q與K的相對大小即可判斷反應Ⅲ進行的方向，那自然也就可以實現(xiàn)反應Ⅲ正、逆反應速率大小的比較了。

4? 運用化學規(guī)律，簡化復雜問題

列“三段式”是解決“化學反應速率與限度”中定量問題的基礎方法，但如能抓住體系相關化學反應的特征，靈活運用物料守恒關系，將復雜體系進行分解和簡化，會在極大程度上省時省力地解決問題。

目前高考“化學反應速率與限度”試題所涉及的平衡體系通常是在確定溫度、壓力下的單相體系，對于這樣的平衡體系，要完全確定其平衡組成所需的最少物種數(shù)可根據(jù)獨立組分數(shù)K的計算公式加以確定，即K=S-R-R′。其中，S為平衡體系涉及的物種數(shù)，R為獨立的化學平衡數(shù)，R′則為獨立的濃度限制關系。換言之，在平衡常數(shù)確定的情況下，只要知道S-R-R′個物種的濃度，平衡體系的組成就可以完全確定，而每隱去一個反應的平衡常數(shù)，則需要增加一個濃度已知條件。在高考試題當中，通常是不會出現(xiàn)冗余條件的，那么對于一個給定體系，能否發(fā)現(xiàn)并運用濃度限制關系R′就成為快速確定平衡體系組成的“捷徑”。高中階段“化學反應速率與限度”主題中物料守恒關系的發(fā)現(xiàn)和運用，本質(zhì)上就是要尋找并利用濃度限制關系R′以快速破解平衡體系的組成，從而對物質(zhì)濃度、化學平衡常數(shù)等進行定量確定。

“化學反應速率與限度”主題學習的目標是引導學生探索紛繁化學反應背后的本質(zhì)和規(guī)律，學習如何根據(jù)這些規(guī)律控制和利用化學反應?；谶@種學科價值，高考試題圍繞真實、多樣的反應體系，力求實現(xiàn)在“化學反應速率與限度”試題中考查學生解決復雜情境中實際問題的能力［6］。面對較高的考查要求，教學中不可能一蹴而就。廣大教師可基于學生認識發(fā)展的層次，首先借助單一化的理想體系幫助學生建立對平衡概念和變化規(guī)律的認識，學習解決一些簡單的無情境問題。然后納入時間變量，突出強化平衡常數(shù)的線索作用，引導學生學習從速率與平衡兩方面分析問題。最終引導學生解析實際生產(chǎn)工藝的復雜體系，提煉模型、抓住本質(zhì)，綜合動力學、熱力學兩個角度，運用好能量守恒與物料守恒等化學規(guī)律，形成證據(jù)推理、模型建構(gòu)、宏觀辨識、微觀辨析的學科高階思維品質(zhì)。

參考文獻：

［1］程力， 史辰羲. 高中學業(yè)水平考試標準制定的實施路徑［J］. 課程·教材·教法， 2019， （7）： 84～88.

［2］陳愛民， 楊玉琴. “化學反應速率與限度”高考試題特征分析及啟示——基于二十年全國1卷的研究［J］. 化學教學， 2022， （5）： 89～94.

［3］吳晗清， 李丹， 趙冬青. “速率”和“平衡”教學亟待澄清的誤區(qū)［J］. 化學教學， 2017， （3）： 21～25.

［4］中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）［S］. 北京： 人民教育出版社， 2020： 129.

［5］張霄， 董素靜. 中學化學教學中平衡常數(shù)的價值和意義的分析［J］. 化學教育， 2016， （11）： 28～31.

［6］趙雪， 盧巍， 逢金滿. 高中“化學反應原理”習題命制應注意的幾個問題［J］. 化學教學， 2021， （9）： 82～86.