“在变化中找不变量”巧解速率平衡计算——以2023年山东高考20题为例

徐增慧

(山东省诸城市教育科学研究院)

化学反应原理压轴大题是山东省落实新课标实施新高考以来,高考化学试卷中的必考题型,该题目能很好地考查学生提取信息、发现问题、发现隐藏规律,创造性地运用不同方法发散地、逆向地解决问题等关键能力,但是该题得分率一直较低,成为复习备考中比较难啃的“硬骨头”,特别是其中的相关计算更是成为学生的“丢分题”。鉴于此,本文重点以2023年山东卷20题中速率平衡计算为例,探讨有关计算问题的解题策略:在“变化中找不变量”——巧用原子守恒或平衡常数或固定配比等在解题中的具体应用,以期对2024届高三学生的复习有所助益,提高学生高考得分。

一、高考要求

“变化观念与平衡思想”是五大化学学科核心素养之一。《普通高中化学课程标准》(2017年版2020年修订)核心素养水平中指出“变化观念与平衡思想”水平4:要求能运用对立统一思想和定性定量结合的方式揭示化学变化的本质特征。

在《中国高考评价体系》知识获取能力群中也明确要求学生“能够从情境中提取有效信息;能够从中发现问题;透过现象看到本质,发现隐藏规律或原理”。在思维认知能力群中要求“能够独立思考,通过逻辑思辨,发表独立的、有创造性的看法;能够从多个视角观察、思考同一个问题;能够灵活地、创造性地运用不同方法,发散地、逆向地解决问题”。

要解决高考题中速率平衡的相关计算,需要学生核心素养水平达到4级要求,能在复杂的化学反应情境中获取关键信息,梳理问题脉络,基于“变化观念与平衡思想”,利用好原子守恒或平衡常数或固定配比等,根据实际问题建构解题模型,解决问题。

二、近四年山东高考真题分析

纵观2020—2023年,每年的高考原理大题几乎都为12分,设置问题7-8问,重点考查盖斯定律、速率方程、速率影响因素、平衡常数、平衡移动等重点学科知识。试题载体新颖,信息量大,陌生度高,是试卷中区分度较高的题目,尤其是速率平衡的相关计算难度更大,其核心素养考查水平达到了4级要求。要求学生根据所学必备知识,调用理解与辨析、分析与推测、探究与创新、归纳与论证等关键能力,灵活应用平衡分析的基本思维模型才能创造性地解决问题。

在解决速率平衡的相关计算题目时,一般学生的思路是利用化学平衡的思维模型——“三段式”分析解决,但是该类高考试题往往涉及多个相互关联的复杂的化学平衡体系,在考试中需要关联数据,特别容易出错,且计算量较大,不可取;但是通过对近四年山东卷高考题的持续研究我们发现,若学生能分析问题,逻辑灵活运用化学学科大观念“变化观念与平衡思想”,尝试“在变化中找不变量”——巧用原子守恒或平衡常数或固定配比等,则能够在考场上快速准确完成速率平衡计算部分的解答。本文以2023年山东高考20题的速率平衡相关计算分析为例,与各位同仁分享。

三、典例分析

研究发现,在反应Ⅰ,Ⅱ中,H+仅对反应Ⅰ有催化加速作用;反应Ⅰ的速率远大于反应Ⅱ,近似认为反应Ⅰ建立平衡后始终处于平衡状态。忽略水的电离,其浓度视为常数。

【题干信息加工】该部分设问很好地考查了学生获取加工新信息的能力以及分析问题,逻辑思辨,通过多视角观察,创造性地解决问题等关键能力。下面通过信息解读来展示一下如何进行信息加工处理,及如何“在变化中寻求不变量”——化学平衡常数,并利用“守恒法”巧解该题。

获取信息一:“反应Ⅰ是快反应,速率远远大于反应Ⅱ,且建立平衡后始终处于平衡状态”,这意味着反应Ⅰ先达到平衡,反应Ⅱ在反应Ⅰ平衡后需要反应一段时间才能到达平衡状态,且在这段时间里反应Ⅰ处于平衡状态。

获取信息二:“忽略水的电离,其浓度视为常数”这句话意味着在求算反应Ⅰ的平衡常数时不需要把水放入常数表达式中,同时对解题信息比较敏感的学生会马上联想到,在本题计算中可能会用到反应Ⅰ的平衡常数。

获取信息三:图像信息。通过读图可以发现CO浓度在t1时刻达到峰值(特殊点),说明此时反应Ⅰ达到化学平衡状态;而CO2浓度一直是增大的,说明反应Ⅱ正向进行,直至达到平衡状态。

【思维过程】

【解题技巧】寻找不变量:根据“原子守恒”,化学变化中原子总量不变;温度不变化学平衡常数不变。

【建构模型】

四、迁移应用

【练习1】(2022年山东卷,20题节选)利用γ-丁内酯(BL)制备1,4-丁二醇(BD),反应过程中伴有生成四氢呋喃(THF)和1-丁醇(BuOH)的副反应,涉及反应如下:

已知:①反应Ⅰ为快速平衡,可认为不受慢反应Ⅱ、Ⅲ的影响;②因反应Ⅰ在高压H2氛围下进行,故H2压强近似等于总压。回答下列问题:

(1)以5.0×10-3mol BL或BD为初始原料,在493 K、3.0×103kPa的高压H2氛围下,分别在恒压容器中进行反应。

(2)初始条件同上。xi表示某物种i的物质的量与除H2外其他各物种总物质的量之比,xBL和xBD随时间t变化关系如图甲所示。实验测得X

甲

【参考答案】0.08

【思维过程】

【练习2】(2021年山东卷,20题节选)

2-甲氧基-2-甲基丁烷(TAME)常用作汽油添加剂。在催化剂作用下,可通过甲醇与烯烃的液相反应制得,体系中同时存在如下反应:

(2)为研究上述反应体系的平衡关系,向某反应容器中加入1.0 mol TAME,控制温度为353 K,测得TAME的平衡转化率为α。已知反应Ⅲ的平衡常数Kx3=9.0,则平衡体系中B的物质的量为________mol,反应Ⅰ的平衡常数Kx1=________。

同温同压下,再向该容器中注入惰性溶剂四氢呋喃稀释,反应Ⅰ的化学平衡将逆向移动(填“正向移动”“逆向移动”或“不移动”);平衡时,A与CH3OH物质的量浓度之比c(A)∶c(CH3OH)=________。

【思维过程】