化學反應速率與平衡圖像題的模型構建

李琴 李發順

摘要：以“CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）;△H<0”制備甲醇為例，探索改變不同的外界條件（溫度.壓強、濃度、催化劑）對化學反應速率和化學平衡影響，把這些具體的影響結果呈現在平衡圖像中，以期學生理解平衡圖像的本質并學會作圖。

關鍵詞：外界條件的改變;速率和平衡;圖像呈示;作圖

文章編號：1008-0546（2019）04-0055-05

中圖分類號：G633.8

文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2019.04.016

一、教學準備

平衡問題是化學反應原理的重要組成部分之一，在浙江省化學選考加試部分中，第30題中平衡問題所占比重較大。如，在2015年10月選考第30題考查學生根據T-K圖像判斷△H的大小，及利用某反應達到平衡后改變溫度后，作產物濃度c（CH3OH）與時間（t）變化趨勢圖;2016年4月選考30題考查的是擴大容器體積改變壓強后，H2的物質的量濃度c（H2）隨時間（t）變化定量圖;2016年10月考查學生利用某反應達到平衡后改變溫度條件，作a（HCl）隨壓強?變化半定量趨勢圖，并要求考生利用碰撞理論解釋反應快慢;2017年4月考查了化學平衡常數的計算及利用平衡移動原理分析圖像，及不同溫度下的建立平衡的過程中產物物質的量濃度c（CH4）隨時間（t）變化的半定量趨勢作圖，2017年11月考查了外界條件改變對平衡轉化率的影響，平衡的有關定量計算及反應歷程和能量變化圖的作圖，2018年4月考查的是平衡產率的計算，及原料的投料比與產物的物質的量分數之間關系的半定量作圖等。對比六次考試，平衡知識大概占第30題的一半分數，其重要性不言而喻，六次考試中均涉及到作圖問題，解決這類作圖問題需要引導學生注重對速率與平衡知識的深度理解及應用，才能更好地讓學生把外界條件的變化而引起的物理量的變化清晰地表征在化學圖像中中。

1.課程標準與考試說明

基于《普通高中化學課程標準（2017年版）》的相關課程目標，落實“化學反應的限度和速率”教與學的要求，結合浙江省近六次的平衡題考查特點，對原理圖的作圖部分做了以下教學研討。

2.作圖題教學要點

（1）作圖題的理論依據是速率理論和平衡移動原理。因此在教學中應重視學生對理論的深度理解，突破理解上的重難點：如升高溫度，正逆反應速率都升高，只是升高的程度大小不同;增大濃度，反應速率增大（但當往體系中加入某一物質時，若該物質為固體和純液體時，不影響速率）;增大壓強加快反應速率，必須引起參.與反應的物質的濃度變化才可能引起速率的變化;催化劑同等程度的改變正逆反應速率但不影響平衡，催化劑的活性受溫度等外界條件的影響等。

（2）作圖題的畫圖要求：起點、終點和變化趨勢。學會分析題意，弄清楚起點和終點是定性點，還是定量點，弄清變化趨勢。

（3）化學作圖的突破：弄清反應的類別是指單一反應、平行反應或連續反應;弄清外界條件的改變是對速率和平衡的單一影響還是同時影響，所作曲線是平衡曲線還是非平衡狀態至建立平衡的曲線等。

3.教學設計思路

在老師的引導下，學生體會并掌握原理作圖題的解題思路：分析題干找準反應（單一反應還是多個反應）→明確改變的具體條件→分析物理量變化趨勢（以速率理論和平衡移動原理為依據）→確定起點（定性或定量）、終點（定性或定量）→作出平滑曲線，整個教學設計遵循由簡入難，由溫度、壓強、濃度和催化劑四條線并行但又遵循難度螺旋式上升的思路進行。

二、教學實施與實證

1.面對真題，熟悉問題

老師整理了近六次考試原理部分高考原題發給學生練習，學生在答題中寫下解題中自己思考出發點及遇到的困難，師生共同批改與分析這類問題解決的出發點和思路，認識原理試題背后的命題出發點和命題設計意圖，學生體驗高考題原理部分考什么？怎樣思考？圖像中信息如何采集？怎樣答題與作圖？

2.試題研討，課堂設計與實證

高考題情景引入，學生體會作圖題的本質即是能運用濃度、壓強、溫度、催化劑等外界條件的改變對化學反應速率和平衡的影響規律，以此推測速率的改變情況，平衡移動方向及濃度、轉化率等相關物理量的變化趨勢。

（1）關于溫度的改變對速率和平衡的影響圖示與實證

一定條件下，由CO2和H2制備甲醇的過程如下：CO2（g）+3H2（g）==CH3OH（g）+H2O（g）△H<0，某溫度下，在體積為1L的密閉容器中按物質的量n（CO2）：n（H2）=1：3投料。

問題1：保持容器體積不變，至反應達平衡后，在t時刻降低反應溫度，直至達到新的平衡。

①建立新平衡的過程中，正、逆反應的速率分別如何變化？

②試在圖1中畫出t時刻始，正逆反應速率隨時間變化至平衡的示意圖。

③建立新平衡的過程中，甲醇的體積分數如何變化？

④試在圖2中畫出t，時刻始，甲醇的體積分數隨時間變化至平衡的示意圖。若縱坐標換成物質的量或甲醇的濃度？圖像走勢是否與圖2一樣？

⑤若其他條件相同，分別在不同的溫度下測定甲醇的平衡產率，試分析，隨著反應溫度的升高甲醇的平衡產率如何變化？請在圖3畫出隨溫度變化甲醇的平衡產率曲線圖。

⑥若其他條件相同，分別在同一時間內測定不同溫度下甲醇的產率，在圖4畫出甲醇的產率隨時間變化的曲線圖.（450K時恰好為甲醇的平衡產率。）

設計意圖：由溫度的改變，對速率的影響入手，讓學生明確溫度的改變，同時影響正逆反應速率，但改變的程度不同，因而引起平衡的移動（本質是溫度升高，化學平衡常數K值變化）。設置這組作圖題的目的是讓學生明確速率的變化趨勢與溫度的關系，及溫度改變，平衡移動所引起的反應物（或生成物）的濃度，反應物的轉化率及產物的體積分數等物理量的變化趨勢。

（2）關于壓強的改變對速率和平衡的影響圖示與實證

一定條件下，由CO2和H2制備甲醇的過程如下：CO2（g）+3H2（g）-CH2OH（g）+H2O（g）△H<0，

某溫度下，在體積為1L的密閉容器中按物質的量n（CO2）：n（H2）=1：3投料。

問題2：恒容條件下，若反應達到平衡后，在t時刻，將容器的體積擴大至原來的一倍，至達到新的平衡。

①建立新平衡的過程中，正、逆反應的速率分別如何變化？

②試在圖5中畫出ti時刻始，正逆反應速率隨時間變化至平衡的示意圖。

③建立新平衡的過程中，甲醇的體積分數如何變化？甲醇的濃度？

④試在圖6中畫出t時刻始，甲醇的體積分數隨時間變化至平衡的示意圖。圖7中畫出甲醇的濃度隨時間變化至平衡的示意圖。

設計意圖：讓學生明確由改變容器的體積而造成的壓強改變，會使體系中的各個氣體濃度同倍數改變，故正逆反應速率都將改變，但平衡是否發生移動及移動的方向由反應物和生成物各自總的氣體數決定。設置這組作圖題的目的是讓學生明確速率的變化趨勢與壓強的關系，解決這類問題，必須首先明確壓強的改變是否引起反應體系中氣體濃度的改變，然后確定反應速率的變化趨勢及平衡移動的方向，從而進一步確定反應物的轉化率及產物的體積分數等物理量的變化趨勢。

問題3：恒容條件下，若反應達到平衡后，在t時刻，將容器的體積擴大至原來的一倍，至達到新的平衡。

⑤建立新平衡的過程中，平衡移動的方向？

⑥在圖8中畫出t時刻始，CO2的濃度隨時間變化至平衡的示意圖。

⑦在圖9中畫出t時刻始，CO2的體積分數a隨時間變化至平衡的示意圖。

設計意圖：設置這組作圖題的目的是讓學生更深刻地體會，壓強的改變對液體或固體而言其影響可忽略。同時也讓學生體會此類題目隱含著定量問題，需借助平衡常數來確定，改變條件前后雖然平衡發生了變化，但是CO2的體積分數前后兩次平衡保持不變，難度有所增加。

（3）關于濃度的改變對速率和平衡的影響的圖示與實證

一定條件下，由CO2和H2制備甲醇的過程如下：

CO2（g）+3H2（g）==CH3OH（g）+H2O（g）△H3<0，某溫度下，在體積為2L的密閉容器中按物質的量n（CO2）：n（H2）=1：3投料。

問題4：保持容器體積不變，至反應達平衡后，在t時刻，再次充入一定量的H2，直到達到新的平衡。

①建立新平衡的過程中，正、逆反應的速率分別如何變化？

②在圖10中畫出t時刻始，正逆反應速率隨時間變化至平衡的示意圖。

問題5：保持容器體積不變，至反應達平衡，此時CO2的轉化率為50%，在t時刻，往容器中再充入等物質的量的CO2和CH3OH，至達到新的平衡。

①建立新平衡的過程中，正、逆反應的速率分別如何變化？

②在圖11中畫出t時刻始，正逆反應速率隨時間變化至平衡的示意圖。

③保持容器體積不變，至反應達平衡，此時CO2的轉化率為50%，若二氧化碳和氫氣的物質的量之比為n（CO2）：n（H2）=1：a，相應平衡體系中甲醇的物質的量分數為x，請在圖12中畫出甲醇的體積分數隨a的變化示意圖。

設計意圖：濃度的改變對平衡和速率的影響，通常題給信息是通過加入一定量的物質來實現某一物質濃度的改變，此處需讓學生明確幾個點：一、加入的物質若是固體和純液體則不影響速率和平衡;二、若加入單一物質改變反應物或生成物的濃度，則利用勒夏特列原理即可定性判斷平衡移動的方向;三、若同時改變反應物和生成物的濃度，則往往需借助化學平衡常數K值進行定量判斷。這一組作圖題的梯度遵循由一個物質到多個物質濃度改變，從定性判斷到定量判斷的設計思路。

（4）關于催化劑的改變對速率和平衡的影響的圖示與實證

一定條件下，由CO2和H2制備甲醇的過程如下：CO2（g）+3H2（g）==CH3OH（g）+H2O（g）△H3<0，某溫度下，在體積為1L的密閉容器中按物質的量n（CO2）：n（H2）=1：3投料。

問題6：保持容器體積不變，至反應達平衡后，在t時刻加入催化劑A。

①在圖13中畫出t時刻始，正逆反應速率隨時間變化至平衡的示意圖。

②如果在催化劑A作用下，CO2轉化率和時間的關系圖如下，解釋CO2轉化率變化的原因？

③在圖14畫出催化劑B作用下CO2轉化率變化隨溫度變化的曲線。（催化劑B催化效果比催化劑A效果差，催化劑均未失效。）

④若在同一時間不同溫度下的CO2轉化率變化如圖15所示，當溫度在200°C以下時CO2轉化率幾乎為0，當溫度在450°C-600°C之間時CO2轉化率緩慢下降，超過600°C后CO2轉化率突然下降。解釋曲線變化的原因。

⑤當換成催化劑B后，在相同的條件下測定CO2轉化率，變化曲線如圖16所示，請判斷該曲線X點是否是平衡點？請解釋原因。前半段曲線上升的原因？后半段曲線有所下降的可能原因？

設計意圖：設置這組作圖題的目的是讓學生明確，催化劑的加入同等程度的改變化學反應速率但不改變平衡;對于催化劑本身，不同的催化劑催化效率不同，且催化效率的高低會受外界條件的影響，如溫度、pH值、顆粒的大小等，這組習題主要討論不同溫度下催化劑對反應速率的影響，即溫度的改變不僅會影響原有反應的速率和平衡，也會影響催化劑的催化效率，導致不同溫度下催化效率不同而使反應速率有所變化。本習題在設置的時候，由單個催化劑到多個催化劑對同一反應的影響，由溫度升高過程中催化劑有效到失效，由平衡曲線到不平衡至建立平衡再到溫度升高破壞平衡等入手，使外界的條件的改變對平衡的影響復雜化，但層層遞進以便于學生更深層次地理解，這樣的作圖題為學生讀懂復雜的原理圖像做好了鋪墊。

3.問題解決，模型構建

通過這節課的教學幫助學生掌握相關原理作圖題的解題思路：分析題干找準反應（單一反應還是多個反應）→明確改變的具體條件→分析物理量變化趨勢（以速率理論和平衡移動原理為依據）→確定起點（定性或定量）、終點（定性或定量）→繪制平滑曲線。

三、教學反思

化學圖像的突出特征是直觀、簡潔，能清晰表征物理量隨外界條件的變化過程，但要把這種宏觀變化微粒變化和符號畫在圖像上難度頗大，單純的題海戰術雖能提升學生解題的熟練程度，但這種基于知識的淺層復習會造成知識的碎片化、理解的膚淺化、思維的呆板化，因此在復習的時候需要進行深度復習，幫助學生透徹理解圖像背后隱藏的本質問題。故本節課的設計遵循兩條主線：（1）從外界條件（溫度、壓強、濃度、催化劑）的改變對速率和平衡的影響出發，著力掃清學生在理解這些知識點中易錯、易混淆的部分。（2）遵循從簡單到復雜的呈現原則，由單一溫度改變入手，再討論單一壓強改變，但在壓強一處進行了變式，即產物的狀態改變后，平衡出現了特殊變化。在討論濃度因素時，從改變單一物質的濃度到改變多個物質的濃度，同時引入了定量的計算。當討論催化劑問題時，由單一催化劑的影響，轉變為多催化劑影響，由溫度改變不僅影響催化劑的活性，同時還引起反應速率和平衡的移動，問題設置更趨復雜。

1.圖像問題何時要注意定量或半定量關系

作圖中常見的圖形從自變量的角度看：一是以時間為自變量的圖像;二是以壓強和溫度為自變量的圖像，從知識載體角度看：一是化學平衡特征的應用，二是勒夏特列原理的應用，三是速率與平衡知識的綜合運用4），三是平衡常數的具體應用。

常見的作圖方式有：V-t圖、c-t圖、體積分數a%-T圖等。對于V-t圖一般無需定量，但是需要注意V正和V逆起點的位置和變化趨勢。對于c-t圖起點作圖通常如下：溫度改變，起點濃度不變;加入某一物質改變濃度，起點該物質濃度突變，其他物質不變;改變壓強，起點氣體濃度改變;加入催化劑，起點濃度不變，c-t圖終點如需定量，則題干中必有相關數據信息（或隱含信息），借助K值，利用平衡計算中的“三段式”法算出即可。對于轉化率a-t和體積分數a%-T圖，起點和終點都有可能是定性或者定量點，若是定性，則只需判斷其變化趨勢與原平衡比是增大或是減小即可，若是定量則必定有相關數據信息，而這些信息往往在作圖之前已有部分數據（如平衡常數K值，轉化率或者濃度變化等）已做過計算或可從題中直接獲取。

2.找準學生圖像問題解決中的難點

學生對作圖題心理上會存在些恐懼感，問題主要來源于一部分學生看不懂題目，不會審題，原有的理論知識根本用不上，所以需要加強審題上的指導;另一部分同學能準確找出條件改變之后圖像的變化趨勢，但對于定量的概念模糊，相比較于起點，往往更容易忽略終點的定量，在教學中應強化定量判斷。

在教學中教師要從多角度提供化學反應原理圖像的變式訓練讓學生判斷，或設計有一定梯度的習題讓學生思考，引導學生由淺入深，逐漸提高解題能力;在訓練中要注重啟迪學生解題思路，提高學生分析和解決問題的能力，加強學生對概念和原理本質的理解，使作圖題迎刃而解[5]。

參考文獻

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[4]夏尊華.例析化學平衡圖像問題[J].中學化學，2006，7：46-47

[5]王浩坤.化學平衡圖像問題的探究[J].中學化學教學參考，2015（3）：67-68