關注“先升后降”圖像 凸顯素養為本教學——例析高考“化學反應速率與平衡”熱點題型

湖南 王雨佳 陳巧玲

化學圖像是借助數學知識對化學變化過程進行描述和呈現，具有直觀、簡潔、信息量大、內容豐富的特點，故圖像題備受高考命題者青睞。“先升后降”圖像在反應過程與能量如圖1(a)所示、電解質溶液導電性探究如圖1(b)所示等考點中高頻出現，在反應速率與平衡中更為熱點如圖1(c)所示。

(a)

(b)

(c)

近六年高考真題(2015—2020)中共出現19次“先升后降”圖像，其中有12次考查反應速率與平衡知識具體考點如表1所示。主要概括為速率隨溫度變化曲線、轉化率或產率隨溫度變化曲線和轉化率或產率隨投料(濃度)變化曲線三類。學生對這三類圖像問題缺少系統認知，分析方法與策略欠佳。本文結合歷年高考真題詳析三種圖像經典題型，總結了解決此題型的基本方法，輔助學生建立化學反應速率和平衡圖像的認知模型如圖2所示，形成速率觀和平衡觀思維，培養變化思維與平衡觀念的化學學科核心素養。

圖2

高考卷具體圖像2020年全國卷Ⅰ反應速率隨溫度變化曲線山東省2020年普通高中學業水平等級考試化學試題物質能量隨反應歷程變化曲線2020年天津卷損耗率隨濃度變化曲線2019年江蘇卷反應物轉化率隨溫度變化曲線2019年北京卷氫氣體積分數隨時間變化曲線2019年天津卷反應物轉化率隨溫度變化曲線2018年江蘇卷反應物轉化率隨溫度變化曲線2018年全國卷Ⅱ積碳量速率隨溫度變化曲線2018年北京卷有機碳脫除率隨溫度變化曲線2017年全國卷Ⅱ產率隨溫度變化曲線2017年江蘇卷重金屬離子吸附量隨pH變化曲線2017年天津卷反應速率隨溫度變化曲線2016年江蘇卷重金屬離子去除率隨混合物鐵的質量分數的變化曲線2016年海南卷物質能量隨反應進程變化曲線2016年全國卷Ⅱ產率隨溫度變化曲線2015年上海卷物質能量隨反應進程變化曲線2015年江蘇卷反應物的物質的量隨投料比變化曲線2015年海南卷物質能量隨反應進程變化曲線2015年天津卷污水去除率隨加入的鐵的質量的變化曲線

類型一 速率隨溫度變化曲線

在化學反應速率與平衡章節中，“先升后降”圖像最初出現的是如圖1(c)所示速率-時間圖中，該圖像簡單清晰，理解難度不大。學生基本具備分析出“先升”可能是由反應放熱、產物具有催化性或催化劑活性隨溫度升高而增強等因素造成的；“后降”的原因可能為反應物濃度降低、催化劑中毒失活等。由于高考試題中出現的圖像綜合性更強，學生需靈活運用相關知識。

【例1】(2018·全國卷Ⅱ·27節選)CH4-CO2的催化重整不僅可以得到合成氣(CO和H2)，還對溫室氣體的減排具有重要意義?；卮鹣铝袉栴}：

(2)反應中催化劑活性會因積碳反應而降低，同時存在的消碳反應則使積碳量少。相關數據如表：

積碳反應CH4(g)C(s)+2H2(g)消碳反應CO2(g)+C(s)2CO(g)ΔH/(kJ·mol-1)75172活化能/(kJ·mol-1)催化劑X3391催化劑Y4372

①在反應進料氣組成、壓強及反應時間相同的情況下，某催化劑表面的積碳量隨溫度的變化關系如圖所示。升高溫度時，下列關于積碳反應，消碳反應的平衡常數(K)和速率(v)的敘述正確的是________(填序號)。

圖3

A.K積、K消均增加

B.v積減小、v消增加

C.K積減小、K消增加

D.v消增加的倍數比v積增加的倍數大

【答案】AD

【信息提取】①積碳和消碳反應均為吸熱反應；②橫坐標表示溫度，縱坐標表示積碳量，未標注曲線上各點是否代表平衡狀態。

【分析】兩反應均為吸熱反應，溫度升高，反應速率均增加，平衡正向移動，平衡常數增大。在600 ℃前升溫，反應相同時間，積碳反應速率增加得更快，積碳量增加使圖像先上升；600 ℃時積碳量達到最大值；600 ℃后消碳反應速率增加的倍數比積碳反應增加的倍數大，因而積碳量出現下降趨勢使圖像后下降。

【關鍵點】圖像出現“先升后降”這種變化的原因為溫度對積碳反應和消碳反應速率影響程度的差異。

圖4

曲線上v最大值所對應溫度稱為該α′下反應的最適宜溫度tm。ttm后，v逐漸下降。原因是________________________。

【答案】升高溫度，k增大使v逐漸升高，但α降低使v逐漸下降。

ttm后，k增大對v的提高小于α引起的降低。

【信息提取】①圖4中縱坐標反應速率v為速率常數k和平衡轉化率α兩者綜合影響的結果；②溫度升高，速率常數k和平衡轉化率α對速率的影響作用相反，前者使其增大，后者使其減小。

【關鍵點】不局限于教材知識，即溫度升高速率加快。根據題干信息分析出溫度對速率的影響可能為速率常數改變和平衡移動的綜合作用。

【答題關鍵詞】ttm后，速率常數k增大的影響小于α降低的影響。

類型二 轉化率/產率隨溫度變化曲線

在可逆反應中，任何物質都不可能被完全消耗，因此反應物的轉化率不可能為100%。在工業生產中，常常綜合考慮溫度、壓強、濃度等因素來適當提高轉化率，以獲得最佳的經濟效益。在類型二與類型三中將討論反應物轉化率或生成物產量受溫度、投料濃度等因素的影響。

【例3】(2019·江蘇卷·15改編)在恒壓、NO和O2的起始濃度一定的條件下，催化反應相同時間，測得不同溫度下NO轉化為NO2的轉化率如圖所示。下列說法正確的是

( )

B.圖中X點所示條件下，延長反應時間能提高NO轉化率

C.圖中Y點所示條件下，增加O2的濃度不能提高NO轉化率

D.380℃下，c起始(O2)=5.0×10-4mol·L-1，NO平衡轉化率為50%，則平衡常數K=2 000

【答案】B

【信息提取】①反應在恒壓條件下進行，②虛線為對應溫度下的平衡轉化率，③實線上各點是否為平衡轉化率需進一步分析判斷。

【分析】由虛線知，升高溫度平衡轉化率降低，說明該反應為放熱反應。實線約在300 ℃以后與虛線重合，說明實線上的點并非都代表平衡轉化率，而是單位時間轉化率。最高點前，由于反應時間有限，NO的轉化率未達該溫度下的平衡轉化率，轉化率主要受溫度影響，溫度越高，速率越快，轉化率越高，曲線呈上升趨勢。最高點后，反應速率加快，反應相同時間，實線上各點均達平衡；但因反應放熱，與最高點相比，溫度升高，平衡逆向移動，平衡轉化率降低，故“后降”。

【關鍵點】①判斷縱軸是否代表平衡轉化率；②非平衡轉化率用速率觀分析，平衡轉化率從平衡移動的角度分析。

【例4】(2018·江蘇卷·20節選)NOx(主要指NO和NO2)是大氣主要污染物之一。有效去除大氣中的NOx是環境保護的重要課題。

(4)在有氧條件下，新型催化劑M能催化NH3與NOx生成N2。

②將一定比例的O2、NH3和NOx的混合氣體，勻速通入裝有催化劑M的反應器中反應(裝置見圖甲)。

甲

乙

反應相同時間NOx的去除率隨反應溫度的變化曲線如圖乙所示，在50～250℃范圍內隨著溫度的升高，NOx的去除率先迅速上升后上升緩慢的原因是____________________；

當反應溫度高于380℃時，NOx的去除率迅速下降的原因可能是____________________。

【答案】迅速上升段是催化劑活性隨溫度升高增大與溫度升高共同使NOx去除反應速率迅速增大；上升緩慢段主要是溫度升高引起的NOx去除反應率增大 催化劑活性下降；NH3與O2反應生成了NO

【信息提取】①根據實際生產生活，混合氣體勻速通過反應器(圖甲)，說明反應時間短；②反應需使用催化劑，其活性會受溫度影響。

【分析】由于反應物勻速通過反應器，反應時間較短，因此380 ℃前的點為單位時間非平衡時NOx的去除率，主要受反應速率影響。在50～250 ℃范圍內升溫，既直接增大了反應速率又增強了催化劑活性，兩者共同作用使去除率迅速增加，圖像呈上升趨勢；250～380 ℃，催化劑活性達最大，速率變化主要受溫度影響，因此去除率上升幅度明顯減慢；溫度高于380 ℃后，催化劑活性可能因溫度過高而降低，因此去除率速率降低，也可能由于溫度過高，O2和NO發生了副反應，產物亦為氮氧化物，故去除率降低，圖像呈下降趨勢。

【關鍵點】①明確曲線上的點代表非平衡時NOx的去除率，主要受反應速率影響；②理解溫度既直接影響反應速率又影響催化劑活性，兩者共同影響單位時間內NOx的轉化率。

【答題關鍵詞】溫度與催化劑活性增加共同作用，催化劑活性降低，有副反應發生。

類型三 轉化率/產率隨投料(濃度)變化曲線

丁烷和氫氣的混合氣體以一定流速通過填充有催化劑的反應器(氫氣的作用是活化催化劑)，出口氣中含有丁烯、丁烷、氫氣等。下圖為丁烯產率與進料氣中n(H2)/n(C4H10)的關系。圖中曲線呈現先升高后降低的變化趨勢，其降低的原因是____________________。

【答案】氫氣是產物之一，隨著n(H2)/n(C4H10)增大，逆反應速率增大。

【信息提取】①混合氣體勻速通過反應器，說明反應時間短；②氫氣可活化催化劑。

【分析】由于反應時間短，曲線上升階段的點為非平衡產率。當n(H2)/n(C4H10)在0～2范圍時，催化劑活性受H2量的增加而增強，反應速率增大，單位時間內丁烯產率也增大，故曲線呈上升趨勢。最高點剛好達平衡狀態，由題干中的反應方程式可知氫氣也是產物之一，產物濃度過大會使平衡逆向移動，所以在比值為2之后丁烯產率下降。

【關鍵點】①判斷曲線上各點是否為平衡轉化率，②從投料比(即濃度)角度分析對化學平衡的影響。

【答題關鍵詞】H2濃度過大，平衡逆向移動。

通過對三大類型中五個高考經典題目的分析，筆者總結出在解決“先升后降”圖像問題時一般有以下方法步驟：①認真審題提煉、獲取有效信息，明確題目作答要求；②全面分析影響目標結果的因素，找準(速率角度/平衡角度)突破；③規范答題用語，緊扣速率觀與平衡觀。該方法看似只為突破“先升后降”試題，實則學生在學習過程中潛移默化，學會連類比物，舉一反三，逐漸具備系統分析速率與平衡圖像題目的策略和能力，建立解決復雜化學問題的思維認知模型。