化学反应速率与平衡图像题的模型构建

李琴 李发顺

摘要：以“CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）;△H<0”制备甲醇为例，探索改变不同的外界条件（温度.压强、浓度、催化剂）对化学反应速率和化学平衡影响，把这些具体的影响结果呈现在平衡图像中，以期学生理解平衡图像的本质并学会作图。

关键词：外界条件的改变;速率和平衡;图像呈示;作图

文章编号：1008-0546（2019）04-0055-05

中图分类号：G633.8

文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2019.04.016

一、教学准备

平衡问题是化学反应原理的重要组成部分之一，在浙江省化学选考加试部分中，第30题中平衡问题所占比重较大。如，在2015年10月选考第30题考查学生根据T-K图像判断△H的大小，及利用某反应达到平衡后改变温度后，作产物浓度c（CH3OH）与时间（t）变化趋势图;2016年4月选考30题考查的是扩大容器体积改变压强后，H2的物质的量浓度c（H2）随时间（t）变化定量图;2016年10月考查学生利用某反应达到平衡后改变温度条件，作a（HCl）随压强?变化半定量趋势图，并要求考生利用碰撞理论解释反应快慢;2017年4月考查了化学平衡常数的计算及利用平衡移动原理分析图像，及不同温度下的建立平衡的过程中产物物质的量浓度c（CH4）随时间（t）变化的半定量趋势作图，2017年11月考查了外界条件改变对平衡转化率的影响，平衡的有关定量计算及反应历程和能量变化图的作图，2018年4月考查的是平衡产率的计算，及原料的投料比与产物的物质的量分数之间关系的半定量作图等。对比六次考试，平衡知识大概占第30题的一半分数，其重要性不言而喻，六次考试中均涉及到作图问题，解决这类作图问题需要引导学生注重对速率与平衡知识的深度理解及应用，才能更好地让学生把外界条件的变化而引起的物理量的变化清晰地表征在化学图像中中。

1.课程标准与考试说明

基于《普通高中化学课程标准（2017年版）》的相关课程目标，落实“化学反应的限度和速率”教与学的要求，结合浙江省近六次的平衡题考查特点，对原理图的作图部分做了以下教学研讨。

2.作图题教学要点

（1）作图题的理论依据是速率理论和平衡移动原理。因此在教学中应重视学生对理论的深度理解，突破理解上的重难点：如升高温度，正逆反应速率都升高，只是升高的程度大小不同;增大浓度，反应速率增大（但当往体系中加入某一物质时，若该物质为固体和纯液体时，不影响速率）;增大压强加快反应速率，必须引起参.与反应的物质的浓度变化才可能引起速率的变化;催化剂同等程度的改变正逆反应速率但不影响平衡，催化剂的活性受温度等外界条件的影响等。

（2）作图题的画图要求：起点、终点和变化趋势。学会分析题意，弄清楚起点和终点是定性点，还是定量点，弄清变化趋势。

（3）化学作图的突破：弄清反应的类别是指单一反应、平行反应或连续反应;弄清外界条件的改变是对速率和平衡的单一影响还是同时影响，所作曲线是平衡曲线还是非平衡状态至建立平衡的曲线等。

3.教学设计思路

在老师的引导下，学生体会并掌握原理作图题的解题思路：分析题干找准反应（单一反应还是多个反应）→明确改变的具体条件→分析物理量变化趋势（以速率理论和平衡移动原理为依据）→确定起点（定性或定量）、终点（定性或定量）→作出平滑曲线，整个教学设计遵循由简入难，由温度、压强、浓度和催化剂四条线并行但又遵循难度螺旋式上升的思路进行。

二、教学实施与实证

1.面对真题，熟悉问题

老师整理了近六次考试原理部分高考原题发给学生练习，学生在答题中写下解题中自己思考出发点及遇到的困难，师生共同批改与分析这类问题解决的出发点和思路，认识原理试题背后的命题出发点和命题设计意图，学生体验高考题原理部分考什么？怎样思考？图像中信息如何采集？怎样答题与作图？

2.试题研讨，课堂设计与实证

高考题情景引入，学生体会作图题的本质即是能运用浓度、压强、温度、催化剂等外界条件的改变对化学反应速率和平衡的影响规律，以此推测速率的改变情况，平衡移动方向及浓度、转化率等相关物理量的变化趋势。

（1）关于温度的改变对速率和平衡的影响图示与实证

一定条件下，由CO2和H2制备甲醇的过程如下：CO2（g）+3H2（g）==CH3OH（g）+H2O（g）△H<0，某温度下，在体积为1L的密闭容器中按物质的量n（CO2）：n（H2）=1：3投料。

问题1：保持容器体积不变，至反应达平衡后，在t时刻降低反应温度，直至达到新的平衡。

①建立新平衡的过程中，正、逆反应的速率分别如何变化？

②试在图1中画出t时刻始，正逆反应速率随时间变化至平衡的示意图。

③建立新平衡的过程中，甲醇的体积分数如何变化？

④试在图2中画出t，时刻始，甲醇的体积分数随时间变化至平衡的示意图。若纵坐标换成物质的量或甲醇的浓度？图像走势是否与图2一样？

⑤若其他条件相同，分别在不同的温度下测定甲醇的平衡产率，试分析，随着反应温度的升高甲醇的平衡产率如何变化？请在图3画出随温度变化甲醇的平衡产率曲线图。

⑥若其他条件相同，分别在同一时间内测定不同温度下甲醇的产率，在图4画出甲醇的产率随时间变化的曲线图.（450K时恰好为甲醇的平衡产率。）

设计意图：由温度的改变，对速率的影响入手，让学生明确温度的改变，同时影响正逆反应速率，但改变的程度不同，因而引起平衡的移动（本质是温度升高，化学平衡常数K值变化）。设置这组作图题的目的是让学生明确速率的变化趋势与温度的关系，及温度改变，平衡移动所引起的反应物（或生成物）的浓度，反应物的转化率及产物的体积分数等物理量的变化趋势。

（2）关于压强的改变对速率和平衡的影响图示与实证

一定条件下，由CO2和H2制备甲醇的过程如下：CO2（g）+3H2（g）-CH2OH（g）+H2O（g）△H<0，

某温度下，在体积为1L的密闭容器中按物质的量n（CO2）：n（H2）=1：3投料。

问题2：恒容条件下，若反应达到平衡后，在t时刻，将容器的体积扩大至原来的一倍，至达到新的平衡。

①建立新平衡的过程中，正、逆反应的速率分别如何变化？

②试在图5中画出ti时刻始，正逆反应速率随时间变化至平衡的示意图。

③建立新平衡的过程中，甲醇的体积分数如何变化？甲醇的浓度？

④试在图6中画出t时刻始，甲醇的体积分数随时间变化至平衡的示意图。图7中画出甲醇的浓度随时间变化至平衡的示意图。

设计意图：让学生明确由改变容器的体积而造成的压强改变，会使体系中的各个气体浓度同倍数改变，故正逆反应速率都将改变，但平衡是否发生移动及移动的方向由反应物和生成物各自总的气体数决定。设置这组作图题的目的是让学生明确速率的变化趋势与压强的关系，解决这类问题，必须首先明确压强的改变是否引起反应体系中气体浓度的改变，然后确定反应速率的变化趋势及平衡移动的方向，从而进一步确定反应物的转化率及产物的体积分数等物理量的变化趋势。

问题3：恒容条件下，若反应达到平衡后，在t时刻，将容器的体积扩大至原来的一倍，至达到新的平衡。

⑤建立新平衡的过程中，平衡移动的方向？

⑥在图8中画出t时刻始，CO2的浓度随时间变化至平衡的示意图。

⑦在图9中画出t时刻始，CO2的体积分数a随时间变化至平衡的示意图。

设计意图：设置这组作图题的目的是让学生更深刻地体会，压强的改变对液体或固体而言其影响可忽略。同时也让学生体会此类题目隐含着定量问题，需借助平衡常数来确定，改变条件前后虽然平衡发生了变化，但是CO2的体积分数前后两次平衡保持不变，难度有所增加。

（3）关于浓度的改变对速率和平衡的影響的图示与实证

一定条件下，由CO2和H2制备甲醇的过程如下：

CO2（g）+3H2（g）==CH3OH（g）+H2O（g）△H3<0，某温度下，在体积为2L的密闭容器中按物质的量n（CO2）：n（H2）=1：3投料。

问题4：保持容器体积不变，至反应达平衡后，在t时刻，再次充入一定量的H2，直到达到新的平衡。

①建立新平衡的过程中，正、逆反应的速率分别如何变化？

②在图10中画出t时刻始，正逆反应速率随时间变化至平衡的示意图。

问题5：保持容器体积不变，至反应达平衡，此时CO2的转化率为50%，在t时刻，往容器中再充入等物质的量的CO2和CH3OH，至达到新的平衡。

①建立新平衡的过程中，正、逆反应的速率分别如何变化？

②在图11中画出t时刻始，正逆反应速率随时间变化至平衡的示意图。

③保持容器体积不变，至反应达平衡，此时CO2的转化率为50%，若二氧化碳和氢气的物质的量之比为n（CO2）：n（H2）=1：a，相应平衡体系中甲醇的物质的量分数为x，请在图12中画出甲醇的体积分数随a的变化示意图。

设计意图：浓度的改变对平衡和速率的影响，通常题给信息是通过加入一定量的物质来实现某一物质浓度的改变，此处需让学生明确几个点：一、加入的物质若是固体和纯液体则不影响速率和平衡;二、若加入单一物质改变反应物或生成物的浓度，则利用勒夏特列原理即可定性判断平衡移动的方向;三、若同时改变反应物和生成物的浓度，则往往需借助化学平衡常数K值进行定量判断。这一组作图题的梯度遵循由一个物质到多个物质浓度改变，从定性判断到定量判断的设计思路。

（4）关于催化剂的改变对速率和平衡的影响的图示与实证

一定条件下，由CO2和H2制备甲醇的过程如下：CO2（g）+3H2（g）==CH3OH（g）+H2O（g）△H3<0，某温度下，在体积为1L的密闭容器中按物质的量n（CO2）：n（H2）=1：3投料。

问题6：保持容器体积不变，至反应达平衡后，在t时刻加入催化剂A。

①在图13中画出t时刻始，正逆反应速率随时间变化至平衡的示意图。

②如果在催化剂A作用下，CO2转化率和时间的关系图如下，解释CO2转化率变化的原因？

③在图14画出催化剂B作用下CO2转化率变化随温度变化的曲线。（催化剂B催化效果比催化剂A效果差，催化剂均未失效。）

④若在同一时间不同温度下的CO2转化率变化如图15所示，当温度在200°C以下时CO2转化率几乎为0，当温度在450°C-600°C之间时CO2转化率缓慢下降，超过600°C后CO2转化率突然下降。解释曲线变化的原因。

⑤当换成催化剂B后，在相同的条件下测定CO2转化率，变化曲线如图16所示，请判断该曲线X点是否是平衡点？请解释原因。前半段曲线上升的原因？后半段曲线有所下降的可能原因？

设计意图：设置这组作图题的目的是让学生明确，催化剂的加入同等程度的改变化学反应速率但不改变平衡;对于催化剂本身，不同的催化剂催化效率不同，且催化效率的高低会受外界条件的影响，如温度、pH值、颗粒的大小等，这组习题主要讨论不同温度下催化剂对反应速率的影响，即温度的改变不仅会影响原有反应的速率和平衡，也会影响催化剂的催化效率，导致不同温度下催化效率不同而使反应速率有所变化。本习题在设置的时候，由单个催化剂到多个催化剂对同一反应的影响，由温度升高过程中催化剂有效到失效，由平衡曲线到不平衡至建立平衡再到温度升高破坏平衡等入手，使外界的条件的改变对平衡的影响复杂化，但层层递进以便于学生更深层次地理解，这样的作图题为学生读懂复杂的原理图像做好了铺垫。

3.问题解决，模型构建

通过这节课的教学帮助学生掌握相关原理作图题的解题思路：分析题干找准反应（单一反应还是多个反应）→明确改变的具体条件→分析物理量变化趋势（以速率理论和平衡移动原理为依据）→确定起点（定性或定量）、终点（定性或定量）→绘制平滑曲线。

三、教学反思

化学图像的突出特征是直观、简洁，能清晰表征物理量随外界条件的变化过程，但要把这种宏观变化微粒变化和符号画在图像上难度颇大，单纯的题海战术虽能提升学生解题的熟练程度，但这种基于知识的浅层复习会造成知识的碎片化、理解的肤浅化、思维的呆板化，因此在复习的时候需要进行深度复习，帮助学生透彻理解图像背后隐藏的本质问题。故本节课的设计遵循两条主线：（1）从外界条件（温度、压强、浓度、催化剂）的改变对速率和平衡的影响出发，着力扫清学生在理解这些知识点中易错、易混淆的部分。（2）遵循从简单到复杂的呈现原则，由单一温度改变入手，再讨论单一压强改变，但在压强一处进行了变式，即产物的状态改变后，平衡出现了特殊变化。在讨论浓度因素时，从改变单一物质的浓度到改变多个物质的浓度，同时引入了定量的计算。当讨论催化剂问题时，由单一催化剂的影响，转变为多催化剂影响，由温度改变不仅影响催化剂的活性，同时还引起反应速率和平衡的移动，问题设置更趋复杂。

1.图像问题何时要注意定量或半定量關系

作图中常见的图形从自变量的角度看：一是以时间为自变量的图像;二是以压强和温度为自变量的图像，从知识载体角度看：一是化学平衡特征的应用，二是勒夏特列原理的应用，三是速率与平衡知识的综合运用4），三是平衡常数的具体应用。

常见的作图方式有：V-t图、c-t图、体积分数a%-T图等。对于V-t图一般无需定量，但是需要注意V正和V逆起点的位置和变化趋势。对于c-t图起点作图通常如下：温度改变，起点浓度不变;加入某一物质改变浓度，起点该物质浓度突变，其他物质不变;改变压强，起点气体浓度改变;加入催化剂，起点浓度不变，c-t图终点如需定量，则题干中必有相关数据信息（或隐含信息），借助K值，利用平衡计算中的“三段式”法算出即可。对于转化率a-t和体积分数a%-T图，起点和终点都有可能是定性或者定量点，若是定性，则只需判断其变化趋势与原平衡比是增大或是减小即可，若是定量则必定有相关数据信息，而这些信息往往在作图之前已有部分数据（如平衡常数K值，转化率或者浓度变化等）已做过计算或可从题中直接获取。

2.找准学生图像问题解决中的难点

学生对作图题心理上会存在些恐惧感，问题主要来源于一部分学生看不懂题目，不会审题，原有的理论知识根本用不上，所以需要加强审题上的指导;另一部分同学能准确找出条件改变之后图像的变化趋势，但对于定量的概念模糊，相比较于起点，往往更容易忽略终点的定量，在教学中应强化定量判断。

在教学中教师要从多角度提供化学反应原理图像的变式训练让学生判断，或设计有一定梯度的习题让学生思考，引导学生由浅入深，逐渐提高解题能力;在训练中要注重启迪学生解题思路，提高学生分析和解决问题的能力，加强学生对概念和原理本质的理解，使作图题迎刃而解[5]。

参考文献

[1]王浩坤.化学平衡图像问题的探究[J].中学化学教学参考，2015（3）：67-68

[2]中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018，1：33

[3]朱锋.浅谈浙江选考化学第30题[J].中学课程辅导.教学研究，2017，11：96

[4]夏尊华.例析化学平衡图像问题[J].中学化学，2006，7：46-47

[5]王浩坤.化学平衡图像问题的探究[J].中学化学教学参考，2015（3）：67-68