從化學知識到核心素養
——以元素守恒思想在“復雜平衡體系中”的應用為例

◇ 王 明

化學學科核心素養“模型認知與證據推理”的提出對化學計算提出了更高的要求.常規學習中，我們習慣一個題建立一個模型，但是化學知識太多，高考的核心考點更是不少，并且單個模型只能用于積累化學知識而不能形成化學素養，所以我們希望一個模型可以解決盡可能多的問題，這也有利于化學素養的形成.守恒法的基本思路是原子在反應前、后總量保持相等.守恒法是中學化學中的常用方法，在配平化學方程式和計算中有重要用途.我們仔細分析就能發現，在化學原理部分多重平衡體系中，同樣也能使用元素守恒思想解決一些看似困難的計算問題.實際教學中筆者運用元素守恒思想完美地解決了這類看似復雜的計算問題.

1 模型建構、厘清本質

例1目前，處理煙氣中的SO2常采用兩種方法：液吸法和還原法.

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.

某溫度下，向10 L恒容密閉容器中充入2 mol H2、2 mol CO和2 mol SO2發生反應①、②，第5 min時達到平衡，測得混合氣體中CO2(g)、H2O(g)的物質的量分別為1.6 mol、1.8 mol.該溫度下，反應②的平衡常數K為________.

分析解答本題的關鍵是求出反應體系中H2、SO2、H2O(g)的物質的量，然后代入平衡常數的計算公式，簡單計算即可得出反應②的平衡常數K.

此問看似復雜，仔細分析后可歸納出如下解題模型：運用元素守恒思想，充入的物質中C、H、O、S這4種元素總量守恒(相當于4個已知條件)，平衡體系中有4個未知數(a、b、c、d)，解題模型如圖1所示.

圖1

綜上，運用方程組此題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個方程聯立可求出：a＝0.4 mol、b＝1.7 mol、c＝0.2 mol、d＝0.3 mol.故可知反應②的平衡常數

當然，此題的解法不止上面一種，也可以通過常見的“三行式法”得到解答.但是，在考場上學生處于高壓環境中，不容易厘清自己的思路，特別是當存在不止一個未知數時，心態一緊張往往會造成不必要的失分.應用元素守恒法解題的思維難度不大，看似復雜的問題其實都可以忽略中間反應過程，直接從反應物和最后平衡狀態入手，加以正確的證據推理和數據演繹得到答案，正所謂“大智若愚，大巧不工”!

2 證據推理，鞏固提升

解題模型有沒有用，還是要在更多的題目中加以驗證，下面再舉一例以證明此模型的廣泛應用.

例2CO2在Cu-ZnO催化條件下，同時發生如下反應Ⅰ和Ⅱ，這是解決溫室效應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

保持溫度T時，在容積不變的密閉容器中，充入一定量的CO2及H2，起始及達平衡時，容器內各氣體物質的量及總壓強如表1所示.

表1

若反應Ⅰ、Ⅱ均達平衡時，p0＝1.4p，則表中n＝___________；反應Ⅰ的平衡常數Kp＝_________(kPa)－2.(用含p的式子表示)

解法1由理想氣體狀態方程pV＝nRT，T、V恒定情況下可得，

得出n(平衡氣體總物質的量)＝1 mol.

解法2利用例1的解題模型分析如圖2所示.

圖2

3 模型再探，高考及變式題檢驗

例3(2018年全國卷Ⅰ，節選)F.Daniels等曾利用測壓法在剛性反應器中研究了25℃時N2O5(g)分解反應：

其中NO2二聚為N2O4的反應可以迅速達到平衡，體系的總壓強p隨時間t的變化如表2所示(t＝∞時，N2O5(g)完全分解)：

表2

25℃時，N2O4(g)?2NO2(g)反應的平衡常數Kp＝_________kPa(Kp為以分壓表示的平衡常數，計算結果保留1位小數).

分析反應體系相當于有2個過程：

Ⅰ.2N2O5(g)?4NO2(g)＋O2(g)；

Ⅱ.4NO2(g)?2N2O4(g).

利用理想氣體狀態方程pV＝nRT，當T、V恒定時，壓強和物質的量呈正比例關系，所以可以將分壓直接看成物質的量(便于計算)；通過表2數據，當時間t＝∞時，才能建立起上面2個過程的平衡狀態，如圖3所示.

圖3

三式聯立解得，x＝18.8 mol，y＝26.4 mol.本題中N、O元素守恒的方程式化簡后相同，只能算是一個獨立的條件，所以找出了另一個比較隱蔽的獨立已知條件——平衡時氣體物質總量.所以

此題的順利解決也給教師命制此類試題帶來了幾點重要啟示：1)恒溫、恒容前提下，題目中出現的已知、未知可以全是壓強數據；2)為了增加題目的綜合性，可考慮將Kc轉化為Kp；3)體系中有幾個未知數，必須給出幾個獨立的已知條件(否則無法解答).

變式某溫度下，N2O5氣體在一容積固定的容器中發生如下反應：

Ⅰ.2N2O5(g)＝4NO2(g)＋O2(g)(慢反應)ΔH＜0.

Ⅱ.2NO2(g)?N2O4(g)(快反應) ΔH＜0.

體系總壓強p(總)和p(O2)隨時間的變化如圖4所示.

圖4

(1)圖中表示O2壓強變化的曲線是________(填“甲”或“乙”).

(2)已知N2O5分解的反應速率v＝0.12×p(N2O5)(kPa·h－1)，t＝10 h時，p(N2O5)＝_____kPa，v＝____kPa·h－1(結果保留2位小數，下同).

(3)該溫度下2NO2(g)?N2O4(g)反應的平衡常數Kp＝______kPa－1(Kp為以分壓表示的平衡常數).

分析本題將高考試題中的表格數據轉化為了更加抽象的圖象數據，對學生能力的要求也進一步提高了(這也是高考的趨勢之一).反應Ⅰ為整個反應的決速步，且中間用“＝”連接，表示時間無窮大(平衡)時N2O5能完全分解.起始時，p(N2O5)＝53.8 kPa，平衡時p(總)＝94.7 kPa.

(1)起始時，只加入N2O5，所以O2的分壓應由0開始.故曲線乙表示氧氣的壓強變化.

(2)觀察反應Ⅰ和Ⅱ，發現產生的O2始終為消耗的N2O5的一半，故t＝10 h時，

代入速率方程

(3)利用前面的解題模型分析如圖5所示.

圖5

三式聯立解得x＝28 mol，y＝39.8 mol.

化學試題的命制不外乎以下兩種思路，一種是突出特性，一種是體現共性.所有的試題都在共性中體現特性.一道典型試題，換個角度思考往往會得到一類試題的通用模型.模型的深度運用，往往又突出了證據推理的核心素養.就這樣在不斷深入探索下，學生的成績得到了提高，同時化學知識也轉化成了化學核心素養.