徐增慧

(山東省諸城市教育科學研究院)

化學反應原理壓軸大題是山東省落實新課標實施新高考以來,高考化學試卷中的必考題型,該題目能很好地考查學生提取信息、發(fā)現(xiàn)問題、發(fā)現(xiàn)隱藏規(guī)律,創(chuàng)造性地運用不同方法發(fā)散地、逆向地解決問題等關(guān)鍵能力,但是該題得分率一直較低,成為復習備考中比較難啃的“硬骨頭”,特別是其中的相關(guān)計算更是成為學生的“丟分題”。鑒于此,本文重點以2023年山東卷20題中速率平衡計算為例,探討有關(guān)計算問題的解題策略:在“變化中找不變量”——巧用原子守恒或平衡常數(shù)或固定配比等在解題中的具體應用,以期對2024屆高三學生的復習有所助益,提高學生高考得分。

一、高考要求

“變化觀念與平衡思想”是五大化學學科核心素養(yǎng)之一?！镀胀ǜ咧谢瘜W課程標準》(2017年版2020年修訂)核心素養(yǎng)水平中指出“變化觀念與平衡思想”水平4:要求能運用對立統(tǒng)一思想和定性定量結(jié)合的方式揭示化學變化的本質(zhì)特征。

在《中國高考評價體系》知識獲取能力群中也明確要求學生“能夠從情境中提取有效信息;能夠從中發(fā)現(xiàn)問題;透過現(xiàn)象看到本質(zhì),發(fā)現(xiàn)隱藏規(guī)律或原理”。在思維認知能力群中要求“能夠獨立思考,通過邏輯思辨,發(fā)表獨立的、有創(chuàng)造性的看法;能夠從多個視角觀察、思考同一個問題;能夠靈活地、創(chuàng)造性地運用不同方法,發(fā)散地、逆向地解決問題”。

要解決高考題中速率平衡的相關(guān)計算,需要學生核心素養(yǎng)水平達到4級要求,能在復雜的化學反應情境中獲取關(guān)鍵信息,梳理問題脈絡(luò),基于“變化觀念與平衡思想”,利用好原子守恒或平衡常數(shù)或固定配比等,根據(jù)實際問題建構(gòu)解題模型,解決問題。

二、近四年山東高考真題分析

縱觀2020—2023年,每年的高考原理大題幾乎都為12分,設(shè)置問題7-8問,重點考查蓋斯定律、速率方程、速率影響因素、平衡常數(shù)、平衡移動等重點學科知識。試題載體新穎,信息量大,陌生度高,是試卷中區(qū)分度較高的題目,尤其是速率平衡的相關(guān)計算難度更大,其核心素養(yǎng)考查水平達到了4級要求。要求學生根據(jù)所學必備知識,調(diào)用理解與辨析、分析與推測、探究與創(chuàng)新、歸納與論證等關(guān)鍵能力,靈活應用平衡分析的基本思維模型才能創(chuàng)造性地解決問題。

在解決速率平衡的相關(guān)計算題目時,一般學生的思路是利用化學平衡的思維模型——“三段式”分析解決,但是該類高考試題往往涉及多個相互關(guān)聯(lián)的復雜的化學平衡體系,在考試中需要關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù),特別容易出錯,且計算量較大,不可取;但是通過對近四年山東卷高考題的持續(xù)研究我們發(fā)現(xiàn),若學生能分析問題,邏輯靈活運用化學學科大觀念“變化觀念與平衡思想”,嘗試“在變化中找不變量”——巧用原子守恒或平衡常數(shù)或固定配比等,則能夠在考場上快速準確完成速率平衡計算部分的解答。本文以2023年山東高考20題的速率平衡相關(guān)計算分析為例,與各位同仁分享。

三、典例分析

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的速率遠大于反應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)。

【題干信息加工】該部分設(shè)問很好地考查了學生獲取加工新信息的能力以及分析問題,邏輯思辨,通過多視角觀察,創(chuàng)造性地解決問題等關(guān)鍵能力。下面通過信息解讀來展示一下如何進行信息加工處理,及如何“在變化中尋求不變量”——化學平衡常數(shù),并利用“守恒法”巧解該題。

獲取信息一:“反應Ⅰ是快反應,速率遠遠大于反應Ⅱ,且建立平衡后始終處于平衡狀態(tài)”,這意味著反應Ⅰ先達到平衡,反應Ⅱ在反應Ⅰ平衡后需要反應一段時間才能到達平衡狀態(tài),且在這段時間里反應Ⅰ處于平衡狀態(tài)。

獲取信息二:“忽略水的電離,其濃度視為常數(shù)”這句話意味著在求算反應Ⅰ的平衡常數(shù)時不需要把水放入常數(shù)表達式中,同時對解題信息比較敏感的學生會馬上聯(lián)想到,在本題計算中可能會用到反應Ⅰ的平衡常數(shù)。

獲取信息三:圖像信息。通過讀圖可以發(fā)現(xiàn)CO濃度在t1時刻達到峰值(特殊點),說明此時反應Ⅰ達到化學平衡狀態(tài);而CO2濃度一直是增大的,說明反應Ⅱ正向進行,直至達到平衡狀態(tài)。

【思維過程】

【解題技巧】尋找不變量:根據(jù)“原子守恒”,化學變化中原子總量不變;溫度不變化學平衡常數(shù)不變。

【建構(gòu)模型】

四、遷移應用

【練習1】(2022年山東卷,20題節(jié)選)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,涉及反應如下:

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?；卮鹣铝袉栴}:

(1)以5.0×10-3mol BL或BD為初始原料,在493 K、3.0×103kPa的高壓H2氛圍下,分別在恒壓容器中進行反應。

(2)初始條件同上。xi表示某物種i的物質(zhì)的量與除H2外其他各物種總物質(zhì)的量之比,xBL和xBD隨時間t變化關(guān)系如圖甲所示。實驗測得X

甲

【參考答案】0.08

【思維過程】

【練習2】(2021年山東卷,20題節(jié)選)

2-甲氧基-2-甲基丁烷(TAME)常用作汽油添加劑。在催化劑作用下,可通過甲醇與烯烴的液相反應制得,體系中同時存在如下反應:

(2)為研究上述反應體系的平衡關(guān)系,向某反應容器中加入1.0 mol TAME,控制溫度為353 K,測得TAME的平衡轉(zhuǎn)化率為α。已知反應Ⅲ的平衡常數(shù)Kx3=9.0,則平衡體系中B的物質(zhì)的量為________mol,反應Ⅰ的平衡常數(shù)Kx1=________。

同溫同壓下,再向該容器中注入惰性溶劑四氫呋喃稀釋,反應Ⅰ的化學平衡將逆向移動(填“正向移動”“逆向移動”或“不移動”);平衡時,A與CH3OH物質(zhì)的量濃度之比c(A)∶c(CH3OH)=________。

【思維過程】