从化学知识到核心素养——以元素守恒思想在“复杂平衡体系中”的应用为例

◇ 王 明

化学学科核心素养“模型认知与证据推理”的提出对化学计算提出了更高的要求.常规学习中，我们习惯一个题建立一个模型，但是化学知识太多，高考的核心考点更是不少，并且单个模型只能用于积累化学知识而不能形成化学素养，所以我们希望一个模型可以解决尽可能多的问题，这也有利于化学素养的形成.守恒法的基本思路是原子在反应前、后总量保持相等.守恒法是中学化学中的常用方法，在配平化学方程式和计算中有重要用途.我们仔细分析就能发现，在化学原理部分多重平衡体系中，同样也能使用元素守恒思想解决一些看似困难的计算问题.实际教学中笔者运用元素守恒思想完美地解决了这类看似复杂的计算问题.

1 模型建构、厘清本质

例1目前，处理烟气中的SO2常采用两种方法：液吸法和还原法.

已知：①2CO(g)＋SO2(g)⇌S(l)＋2CO2(g)ΔH1＝－37.0 kJ·mol－1.

②2H2(g)＋SO2(g)⇌S(l)＋2 H2O(g)ΔH2＝＋45.4 kJ·mol－1.

某温度下，向10 L恒容密闭容器中充入2 mol H2、2 mol CO和2 mol SO2发生反应①、②，第5 min时达到平衡，测得混合气体中CO2(g)、H2O(g)的物质的量分别为1.6 mol、1.8 mol.该温度下，反应②的平衡常数K为________.

分析解答本题的关键是求出反应体系中H2、SO2、H2O(g)的物质的量，然后代入平衡常数的计算公式，简单计算即可得出反应②的平衡常数K.

此问看似复杂，仔细分析后可归纳出如下解题模型：运用元素守恒思想，充入的物质中C、H、O、S这4种元素总量守恒(相当于4个已知条件)，平衡体系中有4个未知数(a、b、c、d)，解题模型如图1所示.

图1

综上，运用方程组此题一定能得到完美的解答.

2 mol×2＝2c＋1.8 mol×2(H元素守恒)；

2 mol＝a＋1.6 mol(C元素守恒)；

2 mol＝b＋d(S元素守恒)；

6 mol＝a＋2d＋1.6 mol×2＋1.8 mol(O元素守恒).

上面4个方程联立可求出：a＝0.4 mol、b＝1.7 mol、c＝0.2 mol、d＝0.3 mol.故可知反应②的平衡常数

当然，此题的解法不止上面一种，也可以通过常见的“三行式法”得到解答.但是，在考场上学生处于高压环境中，不容易厘清自己的思路，特别是当存在不止一个未知数时，心态一紧张往往会造成不必要的失分.应用元素守恒法解题的思维难度不大，看似复杂的问题其实都可以忽略中间反应过程，直接从反应物和最后平衡状态入手，加以正确的证据推理和数据演绎得到答案，正所谓“大智若愚，大巧不工”!

2 证据推理，巩固提升

解题模型有没有用，还是要在更多的题目中加以验证，下面再举一例以证明此模型的广泛应用.

例2CO2在Cu-ZnO催化条件下，同时发生如下反应Ⅰ和Ⅱ，这是解决温室效应和能源短缺的重要手段.

Ⅰ.CO2(g)＋3H2(g)⇌CH3OH(g)＋H2O(g)ΔH1＜0

Ⅱ.CO2(g)＋H2(g)⇌CO(g)＋H2O(g)ΔH2＞0

保持温度T时，在容积不变的密闭容器中，充入一定量的CO2及H2，起始及达平衡时，容器内各气体物质的量及总压强如表1所示.

表1

若反应Ⅰ、Ⅱ均达平衡时，p0＝1.4p，则表中n＝___________；反应Ⅰ的平衡常数Kp＝_________(kPa)－2.(用含p的式子表示)

解法1由理想气体状态方程pV＝nRT，T、V恒定情况下可得，

得出n(平衡气体总物质的量)＝1 mol.

解法2利用例1的解题模型分析如图2所示.

图2

3 模型再探，高考及变式题检验

例3(2018年全国卷Ⅰ，节选)F.Daniels等曾利用测压法在刚性反应器中研究了25℃时N2O5(g)分解反应：

其中NO2二聚为N2O4的反应可以迅速达到平衡，体系的总压强p随时间t的变化如表2所示(t＝∞时，N2O5(g)完全分解)：

表2

25℃时，N2O4(g)⇌2NO2(g)反应的平衡常数Kp＝_________kPa(Kp为以分压表示的平衡常数，计算结果保留1位小数).

分析反应体系相当于有2个过程：

Ⅰ.2N2O5(g)⇌4NO2(g)＋O2(g)；

Ⅱ.4NO2(g)⇌2N2O4(g).

利用理想气体状态方程pV＝nRT，当T、V恒定时，压强和物质的量呈正比例关系，所以可以将分压直接看成物质的量(便于计算)；通过表2数据，当时间t＝∞时，才能建立起上面2个过程的平衡状态，如图3所示.

图3

三式联立解得，x＝18.8 mol，y＝26.4 mol.本题中N、O元素守恒的方程式化简后相同，只能算是一个独立的条件，所以找出了另一个比较隐蔽的独立已知条件——平衡时气体物质总量.所以

此题的顺利解决也给教师命制此类试题带来了几点重要启示：1)恒温、恒容前提下，题目中出现的已知、未知可以全是压强数据；2)为了增加题目的综合性，可考虑将Kc转化为Kp；3)体系中有几个未知数，必须给出几个独立的已知条件(否则无法解答).

变式某温度下，N2O5气体在一容积固定的容器中发生如下反应：

Ⅰ.2N2O5(g)＝4NO2(g)＋O2(g)(慢反应)ΔH＜0.

Ⅱ.2NO2(g)⇌N2O4(g)(快反应) ΔH＜0.

体系总压强p(总)和p(O2)随时间的变化如图4所示.

图4

(1)图中表示O2压强变化的曲线是________(填“甲”或“乙”).

(2)已知N2O5分解的反应速率v＝0.12×p(N2O5)(kPa·h－1)，t＝10 h时，p(N2O5)＝_____kPa，v＝____kPa·h－1(结果保留2位小数，下同).

(3)该温度下2NO2(g)⇌N2O4(g)反应的平衡常数Kp＝______kPa－1(Kp为以分压表示的平衡常数).

分析本题将高考试题中的表格数据转化为了更加抽象的图象数据，对学生能力的要求也进一步提高了(这也是高考的趋势之一).反应Ⅰ为整个反应的决速步，且中间用“＝”连接，表示时间无穷大(平衡)时N2O5能完全分解.起始时，p(N2O5)＝53.8 kPa，平衡时p(总)＝94.7 kPa.

(1)起始时，只加入N2O5，所以O2的分压应由0开始.故曲线乙表示氧气的压强变化.

(2)观察反应Ⅰ和Ⅱ，发现产生的O2始终为消耗的N2O5的一半，故t＝10 h时，

代入速率方程

(3)利用前面的解题模型分析如图5所示.

图5

三式联立解得x＝28 mol，y＝39.8 mol.

化学试题的命制不外乎以下两种思路，一种是突出特性，一种是体现共性.所有的试题都在共性中体现特性.一道典型试题，换个角度思考往往会得到一类试题的通用模型.模型的深度运用，往往又突出了证据推理的核心素养.就这样在不断深入探索下，学生的成绩得到了提高，同时化学知识也转化成了化学核心素养.