构建认知模型 提升解题能力——以化学平衡图像试题为例

■郑州外国语学校 宋正华 韩 青 陈 宁

化学反应平衡理论是中学化学三大化学原理之一,化学平衡是考查数形结合思想的重要载体。化学平衡图像中的物质百分含量—时间图像、物质百分含量-温度/压强图像和速率—温度/压强图像等知识对迁移能力要求较高。本文以化学平衡图像试题为例构建相关模型,来帮助同学们提升自主解决问题的能力。

一、模型认知与模型构建

1.物质百分含量/转化率—时间的变化(如图1所示,C%代表生成物的百分含量)。

图1

此类题目解题的关键:先拐先平衡,反应速率快(即加入催化剂、反应温度较高或压强较大等影响反应速率的因素)。图1①a比b先平衡,且平衡时C%不变,说明平衡不移动,由此改变的条件是a中加入催化剂或者反应前后气体分子数相同的反应增大压强。由图1②可得出温度T2＞T1,且T2时生成物的百分含量高于T1时生成物的百分含量,由此说明正反应ΔH＞0。由图1③可得出p1＞p2,p1时生成物的百分含量高于p2时生成物的百分含量,所以反应前气体计量系数之和大于反应后气体计量系数之和。该类题目亦可逆向思维,即给出信息画相应图像。

图1中三个图像的共同特点:横坐标为时间,纵坐标是生成物的百分含量,通过图像拐点的横、纵坐标大小比较,得出反应速率的快慢,依据外界因素对反应速率的影响原理,判断同一图像中外界条件的差异(温度的相对高低、压强的相对大小),进而判断反应的热效应和反应前后气体分子数的变化情况等。纵坐标为原料转化率或某物种浓度的分析与其相似。

例1已知可逆反应aA(g)+bB(g)cC(g) ΔH,在密闭容器中进行。图2表示在不同时刻t、温度T和压强p下B物质在混合气体中的体积分数φ(B)的变化情况。下列推断中正确的是( )。

图2

A.p1＜p2,T1＞T2,a+b＜c,ΔH＞0

B.p1＜p2,T1＞T2,a+b＞c,ΔH＞0

C.p1＞p2,T1＜T2,a+b＜c,ΔH＜0

D.p1＞p2,T1＜T2,a+b＞c,ΔH＜0

解析:当图中有三个变量时,运用控制变量,将图中曲线分成两个对照组:(T1、p1)和(T1、p2),(T1、p1)和(T2、p1)。解答该题运用“定一议一”和“先拐先平衡”的原则。

由(T1、p1)和(T1、p2)两条曲线可以看出:①温度相同(T1),压强为p2时达到平衡所需的时间短,即反应速率大,所以p2＞p1;②压强较大(即压强为p2)时对应的φ(B)较大,说明增大压强平衡逆向移动,则a+b＜c。

由(T1、p1)和(T2、p1)两条曲线可以看出:①压强相同(p1),温度为T1时达到平衡所需的时间短,即反应速率大,所以T1＞T2;②温度较高(即温度为T1)时对应的φ(B)较小,说明升高温度平衡正向移动,故正反应为吸热反应,ΔH＞0。

答案:A

2.速率—温度/压强(v-T/p)图像(如图3所示)。

图3

此类曲线表示随着时间变化压强或温度逐渐增大(高),正逆反应速率受浓度和压强或温度的双重影响,图中隐去了时间坐标。正逆反应速率交点,即二者相等,表明反应处于平衡状态;交点之后判断增大压强或升高温度后平衡的移动方向。如图3所示,随着压强的增大,正、逆反应速率均增大,且逆反应速率增大的幅度大于正反应速率增大的幅度,即v逆＞v正,平衡逆向移动,说明正反应方向为气体分子数目增大的方向;随着温度的升高,正、逆反应速率均增大,且逆反应速率增大的幅度大于正反应速率增大的幅度,即v逆＞v正,平衡逆向移动,说明正反应为放热反应。

例2在密闭容器里通入A、B两种气体,发生可逆反应A(g)+2B(g)mC(g)+nD(g)。在一定条件下测得反应速率变化情况如图4所示,下列说法正确的是( )。

图4

A.正反应吸热,m+n＜3

B.正反应吸热,m+n＞3

C.正反应放热,m+n＞3

D.正反应放热,m+n＜3

解析:对于v-T图像,随着温度升高,v(正)＞v(逆),说明正反应方向是吸热反应;对于v-p图像,随着压强增大,v(逆)＞v(正),说明正反应方向是气体分子总数增大的方向,m+n＞3。

答案:B

3.恒温线或恒压线(如图5所示,C%为生成物的百分含量)。

图5

在分析此类变化时,需要控制变量。首先分析一条曲线中纵坐标随横坐标的变化,得出一条结论,然后再确定横坐标相同时,不同曲线间的纵坐标大小关系,继而得到第二条结论。

例3可逆反应mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g),图6表示其生成物C的百分含量(C%)与压强、温度的关系,分析图中曲线,可以得出的结论是( )。

图6

A.正反应吸热,m+n＜p+q

B.正反应吸热,m+n＞p+q

C.正反应放热,m+n＞p+q

D.正反应放热,m+n＜p+q

解析:首先判断曲线的整体变化趋势,随着温度的增加,C%增大,说明正反应吸热。其次,判断温度相同时,增大压强C%增大,说明平衡向正反应方向移动,即正反应方向是气体分子总数减小的方向,即m+n＞p+q。

答案:B

二、模型应用

尽管高考中化学平衡图像形式多种多样,然而知识与能力要求保持相对稳定,需要做到对图像基本模型的迁移和综合应用。

1.有最值的图像。

例4在容积相同的五个恒容密闭容器中,分别充入1 mol N2和3 mol H2,在不同的恒定温度下,均发生反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g),并在t1秒时分别测定五个容器中NH3的体积分数,结果如图7所示。

图7

A、B、C、D、E五点中达到平衡状态的点为____。

解析:由图像可知正反应为放热反应。最高点C在中间,A点和B点因为温度低、反应速率慢没有达到平衡状态;C点比A点和B点接近平衡状态,因只做了几组实验,测温不连续,因此无法确定C点是否处于平衡状态;D、E两点温度高、反应速率快,且NH3的体积分数与C相比下降了,符合温度高的先拐先平衡。所以D、E确定是平衡状态。按照前文所述的模型建构方法可画出图8,结论更加一目了然。

图8

答案:D、E

例5将1 mol N2和3 mol H2通入恒容密闭容器中,发生反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g),在反应过程中NH3的体积分数随温度的变化如图9所示。

图9

A、B、C、D、E五点中达到平衡状态的点为____。

解析:按照前面的模型构建方法,不难得出五点中只有C点为平衡状态。

答案:C点

2.多反应共存的恒温/恒压线图像综合应用。

例6以CO2、H2为原料合成CH3OH涉及的主要反应如下:

①CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) ΔH1=-49.5 kJ·mol-1;

②CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)ΔH2=-90.4 kJ·mol-1;

③CO2(g)+H2(gCO(g)+H2O(g)ΔH3=+40.9 kJ·mol-1。

不同压强下,按照n(CO2)∶n(H2)=1∶3投料,实验测定CO2的平衡转化率和CH3OH的平衡产率随温度的变化关系如图10所示。

图10

其中纵坐标表示CO2平衡转化率的是图_____(填“甲”或“乙”);压强p1、p2、p3由大到小的顺序为_____;图乙中T1温度时,三条曲线几乎交于一点的原因是_____。

解析:合成CH3OH的两个反应均为放热反应,故随着温度升高,CH3OH的平衡产率单调降低,便可得出图甲表示CH3OH的平衡产率;固定温度,改变压强,压强越大,甲醇的平衡产率越大,所以图乙表示CO2的平衡转化率变化,CO2参与的反应一个为吸热反应,一个为放热反应,CO2的平衡转化率随温度变化不是单调的,说明不同反应阶段起主导作用的反应不同,图像显示初始阶段CO2的平衡转化率随温度升高而降低,说明反应①占主导,后来随温度升高CO2的平衡转化率又升高,只有反应③吸热,说明反应③占主导,且反应前后气体分子数相等,所以三条曲线会交于一点。

答案:乙 p1＞p2＞p3T1时以反应③为主,反应③前后气体分子数相等,压强改变对平衡没有影响。

点拨:将化学平衡抽象理论知识图像化,图像新颖信息量大,考查综合能力强,既考查考生对化学平衡基础知识的理解,又考查考生读题识图能力。引导考生学会常规模型,并将常规模型应用到新情境新信息的题目中,提高考生真实解决问题的能力,在学习的过程中收获知识并形成化学学科核心素养。

练习:

1.在密闭容器中充入10 mol CO和8 mol NO,发生反应2CO(g)+2NO(g)N2(g)+2CO2(g) ΔH=-747 kJ·mol-1。图11为平衡时NO的体积分数与温度、压强的关系。若在M点对反应容器降温,同时缩小体积至体系压强增大,重新达到的化学平衡状态可能是图中 A～F 点中的( )。

图11

A.A点 B.D点

C.C点 D.F点

2.在一定条件下CO(g)和H2(g)发生反应CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)。在容积固定且均为1 L的a、b、c三个密闭容器中分别充入1 mol CO(g)和2 mol H2(g),三个容器的反应温度分别为T1、T2、T3(依次升高)且恒定不变,测得反应均进行 到5 min时CH3OH(g)的浓度如图12所示。下列说法正确的是( )。

图12

A.a容器中,0～5 min时平均反应速率v(H2)=0.04 mol·L-1·min-1

B.反应均进行到5 min时,三个容器中一定达到化学平衡状态的是b

C.当三个容器内的反应都达到化学平衡时,CO转化率最大的是a

D.保持温度和容积不变,若开始时向b容器中充入0.6 mol CO(g)、1.2 mol H2(g)和0.4 mol CH3OH(g),则反应开始时v(正)＜v(逆)

答案:1.D 2.C

注:本文为河南省基础教育教学研究项目“基于模型认知核心素养的高中化学深度学习研究”(课题编号:JCJYC210701044)阶段性研究成果之一。