复杂反应高考题化简解题方法探究

李传雄 都君华

摘要： 以两道复杂反应的高考化学试题为例，对比标准解题方法，运用把串联反应里部分反应归零舍弃的“归零化简法”、把平行反应里两个及两个以上平行反应归并为一个反应的“归一化简法”，可将复杂反应问题化繁为简、化难为易，进而提高解题效率，以训练学生的综合素质。

关键词： 复杂反应; 高考化学试题简解; 归零化简法; 归一化简法

文章编号： 1005-6629（2021）09-0087-05

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

高考评价体系由一核、四层、四翼组成[1]，其中，“一核”是高考的核心功能，服务选才是对素质教育中高考核心功能的一种概括。为此，在化学高考中会设置部分难度较大的试题以体现区分度。近几年，涉及复杂反应的难题有逐渐增多之势。复杂反应一般是指两个或两个以上的基元反应组合而成的反应，大多数反应需要经历若干个步骤才能完成，均属于复杂反应。故利用复杂反应里物质之间的多重关系设计的高考试题具有综合性强、区分度高，能较好地考查学生化学学科核心素养，值得关注与研究。本文针对某些涉及复杂反应的高考试题，如何着力快速、有效、准确地进行分析解答，总结并归纳为归零化简法和归一化简法两种方法，与同行们分享。

1  归零化简法

[2020年化学高考（山东卷）18题]探究CH3OH合成反应化学平衡的影响因素，有利于提高CH3OH的产率。以CO2、 H2为原料合成CH3OH涉及的主要反应如下：

Ⅰ. CO2（g）+3H2（g）CH3OH（g）+H2O（g）

ΔH1=-49.5kJ·mol-1

Ⅱ. CO（g）+2H2（g）CH3OH（g）

ΔH2=-90.4kJ·mol-1

Ⅲ. CO2（g）+H2（g）CO（g）+H2O（g）

ΔH3

回答下列问题： （1）略。（2）一定条件下，向体积为V L的恒容密闭容器中通入1mol CO2和3mol H2发生上述反应，达到平衡时，容器中CH3OH（g）为amol，CO为bmol，此时H2O（g）的浓度为        mol·L-1（用含a、 b、 V的代数式表示，下同），反应Ⅲ的平衡常数为        。

答案： c（H2O）=a+bVmol/L、 K=b（a+b）（1-a-b）（3-3a-b）

1.1  标准方法解题

1.1.1  根据化学方程式求解

设由反应Ⅰ生成的CH3OH（g）为xmol，由反应Ⅱ生成的CH3OH（g）为ymol，则由题意知： x+y=a。因为起始通入的物质为1mol CO2和3mol H2，没有通入CO，平衡体系中的CO应为反应Ⅲ生成、反应Ⅱ消耗之后剩余的，根据反应Ⅱ消耗ymol CO、余下的CO为bmol得知，由反应Ⅲ生成的CO（g）应为（b+y）mol。用图1展示分析过程。

从上述反应过程看，H2O（g）由反应Ⅰ、 Ⅲ生成，平衡时n（H2O）=x+（b+y），整理有n（H2O）=（x+y）+b=（a+b）mol，故H2O（g）的浓度为c（H2O）=a+bVmol/L，第一空解答完成。反应Ⅰ、 Ⅲ消耗CO2，消耗的CO2物质的量n反应（CO2）=x+（b+y），整理有n反应（CO2）=（x+y）+b=（a+b）mol，反应达平衡时剩

余的n（CO2）=（1-a-b）mol;同理，由于反应Ⅰ、 Ⅱ、 Ⅲ均消耗H2，消耗的H2物质的量n反应（H2）=3x+2y+（b+y），整理有n反应（H2）=3（x+y）+b=（3a+b）mol，反应达平衡时剩余的n（H2）=（3-3a-b）mol。综上分析，反应Ⅲ达平衡时各反应物的物质的量分别为n（CO2）=（1-a-b）mol、 n（H2）=（3-3a-b）mol、 n（CO）=bmol、 n（H2O）=（a+b）mol，对应的浓度分别为c（CO2）=1-a-bVmol/L、 c（H2）=3-3a-bVmol/L、 c（CO）=bVmol/L、 c（H2O）=a+bVmol/L，反应Ⅲ的平衡常数为K=c（CO）×c（H2O）c（CO2）×c（H2）=b（a+b）（1-a-b）（3-3a-b），第二空完成。

1.1.2  列數学方程式求解

向容器里加入CO2和H2，反应后容器里有CO2、 H2、 CH3OH、 CO、 H2O，根据质量守恒定律列数学方程式求解，求解思路如图2所示。

设平衡体系里的H2O（g）、 CO2、 H2物质的量分别为xmol、 ymol、 zmol，根据碳、氧、氢原子守恒列方程式有：

a+b+y=1×1

a+b+x+2y=1×2

4a+2x+2z=3×2  解之得x=a+by=1-a-bz=3-3a-b

即平衡体系里各反应物的物质的量有n（H2O）=（a+b）mol、 n（CO2）=（1-a-b）mol、 n（H2）=（3-3a-b）mol。其他计算同1.1.1求解过程。

1.2  归零化简法解题

1.2.1  归零化简法解题过程

观察反应Ⅰ、 Ⅱ、 Ⅲ，三者存在Ⅰ=Ⅱ+Ⅲ的关系，反应起始加入的物质是CO2、 H2，反应达平衡时体系存在的物质为CO2、 H2、 CH3OH（g）、 CO、 H2O（g），即生成物为CH3OH（g）、 CO、 H2O（g），即使“没有”反应Ⅱ，由反应Ⅰ、Ⅲ也能由CO2、 H2转化生成CH3OH（g）、 CO、 H2O（g）。若将反应Ⅱ“忽略”归零后再分析，则不用算可“看”出结果。其思维过程可用图3展示。

因为反应Ⅰ生成了a mol H2O，反应Ⅲ生成b mol H2O，所以平衡时H2O的物质的量为n（H2O）=（a+b）mol;因为反应Ⅰ消耗a mol CO2、反应Ⅲ消耗b mol CO2，所以平衡时CO2的物质的量为n（CO2）=（1-a-b）mol;因为反应Ⅰ消耗3a mol H2、反应Ⅲ消耗b mol H2，所以平衡时H2的物质的量为n（H2）=（3-3a-b）mol。再由题给信息n（CO）=b，达平衡时反应Ⅲ体系里各反应物的物质的量有n（CO2）=（1-a-b）mol、 n（H2）=（3-3a-b）mol、 n（CO）=bmol、 n（H2O）=（a+b）mol。其他计算过程同标准方法求解过程。

1.2.2  归零化简法解题原理

反应Ⅰ、 Ⅱ、 Ⅲ关系为： Ⅰ=Ⅱ+Ⅲ，是典型的串联反应。凡是反应所产生的物质能再起反应而生成其他物质的，称为串联反应，或称连续反应[2]。设A起反应生成B，B又起反应生成C，这就是由两个反应组成的串联反应，可用图4展示其关系。

见到上述图形，很容易让人想到盖斯定律。盖斯定律表明，在一定条件下，化学反应的反应热只与反应体系的始态和终态有关，而与反应的途径无关[3]。其实不仅反应热如此，所有状态函数都有这样的性质，只与反应体系的始态和终态有关，而与反应途径无关。由此思考，研究反应体系里反应物与生成物的物质的量关系，也可以“忽略”反应过程来分析，无论化学反应过程多么复杂，反应物和生成物中原子的种类和数目不变。串联反应里物质间的转化相当于一个“闭合”通路，以图4展示的关系来看，忽略反应Ⅰ，物质A可通过反应Ⅱ先行转化生成物质B，再由物质B通过反应Ⅲ转化生成物质C，三种物质A、 B、 C的物質的量关系可只通过反应Ⅱ、Ⅲ来分析，也就是说，若三种物质A、 B、 C的物质的量关系满足了反应Ⅱ、 Ⅲ的转化关系，则必然满足反应Ⅰ的转化关系。这种忽略串联反应里的某些反应，将其“归零”后分析反应物、生成物间物质的量关系的方法称之为归零化简法。

以归零化简法来分析2020年化学高考（山东卷）18题，可以分三种组合来理解容器中的三个反应： 组合①，可认为，容器里反应Ⅱ、 Ⅲ是独立反应，反应Ⅰ是非独立反应，有反应Ⅱ、 Ⅲ必有反应Ⅰ，反应Ⅱ、 Ⅲ“固定”着反应Ⅰ，正如图4展示那样，隐藏△ABC的任意一条边不改变三角形的形状，三种物质A、 B、 C之间的关系不会变化。向恒容密闭容器中通入1mol CO2和3mol H2，可以认为容器中先发生反应Ⅲ，再发生反应Ⅱ，反应Ⅰ是反应Ⅱ、 Ⅲ进行的结果;组合②，也可认为容器里发生的是反应Ⅰ、 Ⅱ。因为有Ⅲ=Ⅰ-Ⅱ，所以反应Ⅲ不是一个“独立”的反应，而是反应Ⅰ之后，再由反应Ⅱ向逆反应方向进行的结果;组合③，类似分析，认为容器里只发生了反应Ⅰ、 Ⅲ。因为有Ⅱ=Ⅰ-Ⅲ，所以反应Ⅱ不是一个“独立”的反应，只不过是反应Ⅰ、 Ⅲ进行的结果。将上述思维过程由图5展示。

以哪一种组合来计算，可以根据题设内容调整。本题以组合③来计算最简便。

回头再看归零化简法，其实质就是抓住反应物和生成物，找到一条联系反应物和生成物的反应的方程式“通路”，忽略其他反应的方程式，快速解答反应物、生成物的物质的量关系问题的方法。这种方法有别于1.1.1根据化学方程式求解方法，它忽略部分反应的方程式，让反应物、生成物之间的物质的量关系更直接。这也有别于根据质量守恒定律1.1.2列数学方程式求解方法，质量守恒定律求解思路简单，但列数学方程式计算较复杂，特别是多未知数的方程式组计算更复杂，而这里利用一条联系反应物和生成物的反应的方程式“通路”求解，让学生有“路”可循，按图索骥就可以，易学易用。

1.2.3  归零化简法解题原理应用

类似问题很多，如盐类水解。在氯化铵的水溶液里，存在水的电离平衡Ⅰ.H2OH++OH-、铵根离子的水解平衡Ⅱ.NH+4+H2ONH3·H2O+H+、一水合氨的电离平衡Ⅲ.NH3·H2ONH+4+OH-。不难看出三者转化之间存在有Ⅰ=Ⅱ+Ⅲ关系，也就是说，其实只有两个独立的转化，任何两个转化关系联合便可以推出第三个转化关系。用图6展示其简化后的三种组合，以任意一种组合来分析氯化铵水溶液里的平衡，都能轻松解决各微粒间的数量关系问题。

完全反应里的串联反应也可以用归零化简法解决相关的问题，如硫化氢的燃烧反应分析，化简过程用图7展示。

2  归一化简法

2.1  标准方法解题

据图8可知，此电化学装置为电解池，通入CO2气体的电极为阴极，通入CH4气体的电极为阳极，固体电解质是用来传导O2-的，电极反应式见表1。

根据生成的乙烯和乙烷的体积比为2∶1，即物质的量之比为2∶1，设生成的乙烷为1mol，则生成的乙烯为2mol，两电极上转移的电子为8+2=10mol;根据电子守恒，可计算出阴极上消耗的CO2为5mol，用图9展示其思维过程。

故若生成的乙烯和乙烷的体积比为2∶1，则消耗的CH4和CO2体积比为6∶5。

2.2  归一化简法解题

2.2.1  归一化简法解题过程

乙烯和乙烷的体积比为2∶1，即“2C2H4+C2H6”。若将混合物“2C2H4+C2H6”视为纯净物，则其“分子式”为“C6H14”，将对应的两个反应归为一个反应，再写出对应的电极反应式6CH4-10e-+5O2-C6H14+5H2O，变两步计算为一步计算。其解题思路用图10展示。

2.2.2  归一化简法解题原理

归一化简法解决的是平行反应问题。反应物能同时进行几种不同的反应，则称为平行反应[4]。在平行反应中，生成主要产物的反应称为主反应，其余的反应称为副反应。在工业生产中经常会有平行反应现象，这也是高考题常涉及到这类反应的原因。设反应物A能按一个反应生成B，同时又按另一个反应生成C，由这两个反应组成的平行反应可用图11展示其关系。

乙烷、乙烯皆为阳极氧化产物，电解池里实际存在两个平行反应： Ⅰ.2CH4+2CO2C2H4+2CO+2H2O，Ⅱ.2CH4+CO2C2H6+CO+H2O。若两个或多个平行反应以固定比例进行时，则其反应物、生成物组成皆固定不变，反应物、生成物组合均可以视为纯净物，如此便能将两个或多个平行反应归为一个反应来解答问题，这种方法称之为归一化简法。

2.2.3  归一化简法解题原理应用

类似问题很多，如氯气和氢氧化钠溶液反应，体系中存在两个平行反应： Cl2+2NaOHNaCl+NaClO+H2O， 3Cl2+6NaOH5NaCl+NaClO3+3H2O。当两个平行反应以固定比例进行时，反应物Cl2、 NaOH组成固定不变，氧化产物NaClO和NaClO3組成也固定不变，如此便可以将两个平行反应归为一个反应来解决问题。

3  结束语

学贵有法、得法。按照《中国高考评价体系说明》“能够在正确的思想价值观念指导下，合理运用科学的思维方式与方法，有效地整合学科相关知识，运用学科的相关能力，高质量地认识问题、分析问题、解决问题的综合品质”要求[5]，解决复杂化学问题，可运用化学原理和思想化繁为简、化难为易，着力培养学生解决问题的必备品格与关键能力，训练学生高质量解决问题的综合素养。

参考文献：

[1][5]教育部考试中心. 中国高考评价体系[M]. 北京： 人民教育出版社， 2019： 6～7， 20～26.

[2][4]张雄飞， 王少芬. 物理化学[M]. 武汉： 华中科技大学出版社， 2017： 298～302.

[3]人民教育出版社， 课程教材研究所， 化学课程教材研究开发中心. 普通高中教科书·化学（选择性必修1）[M]. 北京： 人民教育出版社， 2020： 13～15.