对2019年高考全国卷Ⅰ理综28题的深度分析与教学启示

湖南

一、研究背景

2019年高考试题以学科素养为抓手，将核心价值、学科素养、关键能力和必备知识等考查内容有机结合，注重基础性、综合性、应用性和创新性的考查。通过创设具有探索性的问题情境，加大对核心素养考查的力度，有利于发挥高考选材功能，强化教学核心素养导向。全国卷Ⅰ理综28题，素材新颖、情境真实，凸显了对学科素养的考查，堪称试题典范。部分教师觉得不易理解，故本文对此进行深度分析，希望对大家有所作用。

二、高考原题

(1)Shibata曾做过下列实验：①使纯H2缓慢地通过处于721℃下的过量氧化钴CoO(s)，氧化钴部分被还原为金属钴Co(s)，平衡后气体中H2的物质的量分数为0.025 0。②在同一温度下用CO还原CoO(s)，平衡后气体中CO的物质的量分数为0.019 2。

根据上述实验结果判断，还原CoO(s)为Co(s)的倾向是CO________(填“大于”或“小于”)H2。

(2)721℃时，在密闭容器中将等物质的量的CO(g)和H2O(g)混合，采用适当的催化剂进行反应，则平衡时体系中H2的物质的量分数为________(填标号)。

A.<0.25 B.0.25 C.0.25～0.50 D.0.50 E.>0.50

(3)我国学者结合实验与计算机模拟结果，研究了在金催化剂表面上水煤气变换的反应历程，如图所示，其中吸附在金催化剂表面上的物种用*标注。

可知水煤气变换的ΔH________(填“大于”“等于”或“小于”)0。该历程中最大能垒(活化能)E正=________eV，写出该步骤的化学方程式：________________。

(4)Shoichi研究了467℃、489℃时水煤气变换中CO和H2分压随时间变化关系(如图所示)，催化剂为氧化铁，实验初始时体系中的pH2O和pCO相等、pCO2和pH2相等。

三、详细分析

物质的量分数x平衡0.025 0 1-0.025 0=0.975

[上式中n平衡=平衡时n(H2O)+n(H2)]

可见，对于反应前后气体物质的量相等的可逆反应，可用平衡时各气体组分的物质的量分数(或物质的量)代替其平衡浓度直接计算浓度平衡常数Kc。据此求下列反应的Kc：

物质的量分数x平衡0.019 2 1-0.019 2=0.980 8

这两个平衡常数的数值，就是该物质还原CoO能力大小的一个“标尺”。显然Kc2>Kc1，即还原CoO(s)为Co(s)的倾向为CO大于H2，或者说721℃下，CO夺取氧的能力大于H2。

虽然高中课本未涉及分压平衡常数Kp，但从2014年开始，高考全国卷中就开始以提供信息的方式考查Kp。那么，能否用Kp比较？Kp与Kc又有何关系？现以Kp1为例推断如下：

(上式中p平衡=平衡时pH2O+pH2)

可见，对于反应前后气体物质的量相等的可逆反应，相同温度下，Kp=Kc。即

上述比较Kc2与Kc1大小的过程也可以改为比较Kp2和Kp1大小的过程。另外，上述结论在后面第(2)、(4)问的解决过程中也可以运用，进而加强学生对分压平衡常数的理解，减少他们的陌生感。

分析方法②：根据多重平衡原理分析，

由②-①得：

在此基础上，可引导学生用不同思路推断平衡时H2的物质的量分数范围。

解法一：假设法

由于该小问是一个选择性判断，学生可充分利用选项中提供的数据，用假设法快速判断。

若H2的物质的量分数为0.25，则根据题意可知：

物质的量分数x起始0.50 0.50 0 0

物质的量分数x某时刻0.25 0.25 0.25 0.25

若H2的物质的量分数为0.50，根据反应的化学方程式可知，CO2的物质的量分数亦为0.50，即反应物的转化率达100%，与该反应为典型的可逆反应这一事实不符，即平衡时H2的物质的量分数必然小于0.50。综上所述，平衡时H2的物质的量分数范围为0.25～0.50。

解法二：不等式法

学生也可直接利用该反应在721℃时的Kp3>1进行正向思维计算判断。

设721℃时该反应达平衡时H2的物质的量分数为x，物质的量分数之比=物质的量之比，故可将物质的量分数直接代入方程式进行分析：

总之，由于河套问题的出现，在北部边防沉重的军事压力之下，卫所制度趋于崩溃的同时，为有效抵御蒙古部落的入掠，募兵制和军事家丁制度逐渐兴起。但这也无异于饮鸩止渴，由此产生大量冗兵的军费造成了政府财政的超负荷运转，为明王朝的加速覆亡埋下了伏笔。

物质的量分数x起始0.50 0.50 0 0

物质的量分数x平衡0.50-x0.50-xxx

又由于可逆反应达平衡时反应物的转化率小于100%，即平衡时各组分的物质的量分数均大于0，可知0.50-x>0，解得x<0.50。综上所述，平衡时H2的物质的量分数范围为0.25～0.50。

另外，课堂上当学生想一探究竟时，也要呵护学生的积极性。

解法三：常规法

物质的量分数x起始0.50 0.50 0 0

物质的量分数x平衡0.50-x0.50-xxx

在运用数学方法进行解方程、不等式或运用公式的过程中，要特别注意每个代数式、公式的化学含义及适用条件，只有这样，才能更好地运用数学知识解决化学问题。

以上解法三中，根据确切的Kp3计算平衡时H2的物质的量分数增加了计算量，耗费了更多的时间。可见，在平时的课堂教学中选择不同的思维方法，不仅能因材施教，照顾不同学生思维方式的差异性，同时还能培养学生思维的全面性、深刻性、灵活性；在考场上，针对不同的设问方式，学生才能用敏锐的眼光捕捉试题中所给的有效信息，快速作出判断，优化解决问题的策略。

部分学生可能由于阅读理解能力不够强、基础知识不够扎实或意志品格不够坚定，遇到难度较大的问题或看似“已知条件不够”的问题，没有深入思考与展示思维过程的好习惯，往往是粗粗浏览一下试题就有可能放弃。而通过引导学生进行上述的推导及分析，能使学生坚信，只要理解题意，善于把实际问题转化为化学问题，大都可以化难为易。比如，平衡常数的推导计算，先写出平衡常数的表达式，再顺藤摸瓜，逐步找出试题中的已知条件，挖掘其中隐含条件，并关联已有知识，敢于尝试，将抽象的思维从内隐走向外显，就可逐步找到思路，并进行深入推导，从而构建解决各类问题的一般思维模型；遇到具体问题时，又能灵活调整解题策略，从而在遇到困难时能树立信心，进入“山重水复疑无路，柳暗花明又一村”的境界。

仔细分析该图象，除了上文提到的反应要经历两个过渡态外，还可知其他信息：

①开始吸附阶段：相对能量由0 eV降到-0.32 eV，为放热过程。

②最后的脱附阶段：相对能量由-0.83 eV升高到-0.72 eV，为吸热过程。

③中间阶段：相对能量分别由1.25 eV降到-0.16 eV，1.41 eV降到-0.83 eV，均为放热过程，表观活化能均小于0。

怎样理解表现活化能小于0的反应过程呢？处于激发态的自由基，复合成分子时回到基态，会释放出能量，使表观活化能出现负值。

笔者对这个复杂反应历程图的理解是：在整个反应历程中有4个基元反应，其中两个反应涉及正活化能，两个反应的活化能为零。

该问的设置拓宽了学生的认知视野，使学生认识到大多数化学反应并不是一步完成的，而是经过几个基元反应分步完成的，催化反应更是如此，同时意识到影响反应速率因素的复杂性。

通过该问题的设置，使学生明白中学课本上反应速率的表达式是针对一般情况的，从而防止学生认识僵化。

由题知467℃、489℃水煤气变换实验的初始体系中pH2O和pCO相等、pCO2和pH2相等，为了让起始条件更明朗，不妨进行下列题设：

p起始p1p1p2p2

p起始p3p3p4p4

在接下来的分析中，至关重要的一点是帮助学生理清对分压-时间图的正确理解。

学生可能存在的第一个困惑：p1是否等于p2？p3是否等于p4？p1是否等于p3？p2是否等于p4？读图可知t=0时纵坐标上出现了四个不同的pCO或pH2分压，显然p1≠p2≠p3≠p4。对上述已知条件的分析有助于提升学生理解能力，消除学生潜在的认知困惑。

学生可能存在的第二个困惑：为什么图象中只画出了两种不同温度下的pCO、pH2？因为两种不同温度下均有pCO=pH2O、pCO2=pH2，故两种不同温度下的pCO与pH2O必然重合，pCO2和pH2也必然重合，也就是说，每种温度下，反应物和产物都只能取其中一种物质，图象中总共4条分压-时间曲线。

从前文计算及分析可知，721℃时，Kp3=Kc3>1，即pH2>pCO。

分析方法①：要判断四条曲线分别对应哪种温度下的pCO或pH2，最容易想到的是先判断哪两条曲线对应的是同一温度下的反应。

读图可知30～90 min内：

a曲线：Δpa=4.08-3.80=0.28 kPa

b曲线：Δpb=3.64-3.30=0.34 kPa

c曲线：Δpc=2.21-1.87=0.34 kPa

d曲线：Δpd=1.49-1.21=0.28 kPa

因为Δpa=Δpd=0.28 kPa，Δpb=Δpc=0.34 kPa，由方程式中化学计量数的关系可知，a、d代表的是某相同温度下pH2或pCO的变化曲线，b、c代表的是另一相同温度下pH2或pCO的变化曲线。又由于pH2>pCO，可知a、b代表的是pH2，c、d代表的是pCO。该反应的ΔH<0，故其他条件不变时，降低温度，平衡右移，即平衡时pH2(467℃)>pH2(489℃)、pCO(467℃)

学生可能存在的第三个困惑：算出四条曲线30～90 min 时的Δp后，为何不能认为Δp大的是对应较高温度下的曲线？这种认识的根源在于只看到了温度对反应速率的影响，忽视了压强对反应速率的影响。因为同一温度下反应中总压始终不变，若选择30 min时的数据进分析：467℃时，p总=3.30×2+2.21×2=11.02 kPa；489℃时，p总=1.21×2+4.08×2=10.58 kPa。温度相对较低的，压强相对较大；温度相对较高的，压强相对较小。其他条件不变时，对于该反应而言，温度升高或压强增大时反应速率均增大。该反应低温时压强大、高温时压强小，因此，只从温度角度判断反应速率是不正确的。

分析方法②：因为在同一温度下反应的总压始终不变，pCO+pH2为定值。曲线a、d在30 min时分压之和为4.08+1.21=5.29 kPa，90 min时分压之和为3.80+1.49=5.29 kPa，两者相等；曲线b、c在30 min时分压之和为3.30+2.21=5.51 kPa，90 min时分压之和为3.64+1.87=5.51 kPa，两者相等。说明曲线a、d对应同一温度的反应数据，b、c对应另一温度的反应数据，然后在此基础上用解法一的后续思路得出正确结论。

由此，可以感受到命题专家高超的智慧，试题的呈现与设问方式充分尊重学生思维方式的差异性。

学生可能存在的第四个困惑：为什么467℃时CO的分压减小、H2的分压增大，即反应从正反应方向建立平衡；而489℃时H2的分压减小、CO的分压增大，即反应从逆反应方向建立平衡？

此时可引导学生读图，通过计算帮助学生解决困惑。

p起始/kPa 2.6 2.6 2.8 2.8

p平衡/kPa 1.5 1.5 3.9 3.9

显然Qp

p起始/kPa 0.8 0.8 4.4 4.4

p平衡/kPa 1.6 1.6 3.6 3.6

(因起始时和平衡时的分压较难读准，此为近似值)

显然Qp>Kp，反应从逆反应方向建立平衡，即pCO渐大、pH2渐小，直至反应达到平衡。

不难看出，第(4)问与第(1)(2)(3)问的设置紧密相关，只有将前三问的结论应用于第(4)问，才能推理出第(4)问，该问对思维的全面性、综合性、深刻性和灵活性要求更高。在教学中，需合理利用试题，引导学生自己搭建思维台阶，逐步分析，解决问题。

另外，从图象中还可看出，可逆反应达到平衡状态所需的时间很长，启示我们化工生产中不一定要追求化学平衡状态。

四、试题评价

该题以水煤气的变换为载体，要求学生在掌握反应原理的基础上，根据实验数据关系图表、运用化学基本原理分析反应过程中的能量变化，判断反应历程和机理，推测温度等因素对反应速率及化学平衡的影响。试题涉及气体分压、反应热、活化能、反应速率、化学平衡常数等方面的知识。该题综合性很强且难度较大，要求学生能结合试题新颖的设问方式，避开常规思维进行巧妙判断与灵活计算。实验结合计算机模拟图象的题型不常见，试题设计新颖，分步设问、层层递进、环环相扣、首尾呼应，构建了逻辑严谨的试题结构，具有很高的区分度。该题侧重考查学生的理解能力、挖掘信息能力、数据分析能力、推理演绎能力、归纳总结能力、反思评价能力以及对已学知识进行关联并熟练运用和迁移的能力，主要渗透了对“证据推理与模型认知”核心素养的考查，要求学生具有证据意识，能基于证据对物质组成、结构及其变化提出可能的假设，通过分析推理加以证实或证伪；建立观点、结论和证据之间的逻辑关系。通过分析、推理等方法认识研究对象的本质特征、构成要素及其相互关系，建立认知模型，并能运用模型解释化学现象，揭示现象的本质和规律。也渗透了对变化观念和平衡思想的考查：能认识物质是运动和变化的，知道化学变化需要一定的条件，并遵循一定规律；认识化学变化的本质特征是有新物质生成，并伴有能量转化；认识化学变化有一定限度的，是可以调控的；能从多角度、动态地分析化学变化。

第(3)问来源于我国化学工作者发表在顶级刊物Science的文章《沉积在α-MoC上单层金原子对水煤气的低温催化反应》，试题以文章中的单原子催化能量变化的理论计算模型为情境素材，让学生认识、分析催化吸附机理及反应过程中的能量变化。通过扩大试题素材来源，减少学生反复刷题、机械训练的情况，引导教师在实际教学中遵循教学规律，通过设置真实的问题情境、新颖的试题呈现方式，使“死记硬背”“机械刷题”“题海战术”没有市场，既提高试题的区分度，又引导教师注重学生从“解题”到“解决问题”的能力培养、从“做题”到“做人做事”的素养提升。同时试题中还呈现了我国科学家发表的世界领先的科技成果，增强了科技成就感和民族自豪感，激发学生的爱国热情。

五、教学启示