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復雜反應高考題化簡解題方法探究

2021-11-15 18:40:00李傳雄都君華
化學教學 2021年9期

李傳雄 都君華

摘要:?以兩道復雜反應的高考化學試題為例,對比標準解題方法,運用把串聯反應里部分反應歸零舍棄的“歸零化簡法”、把平行反應里兩個及兩個以上平行反應歸并為一個反應的“歸一化簡法”,可將復雜反應問題化繁為簡、化難為易,進而提高解題效率,以訓練學生的綜合素質。

關鍵詞:?復雜反應;?高考化學試題簡解;?歸零化簡法;?歸一化簡法

文章編號:?1005-6629(2021)09-0087-05

中圖分類號:?G633.8

文獻標識碼:?B

高考評價體系由一核、四層、四翼組成[1],其中,“一核”是高考的核心功能,服務選才是對素質教育中高考核心功能的一種概括。為此,在化學高考中會設置部分難度較大的試題以體現區分度。近幾年,涉及復雜反應的難題有逐漸增多之勢。復雜反應一般是指兩個或兩個以上的基元反應組合而成的反應,大多數反應需要經歷若干個步驟才能完成,均屬于復雜反應。故利用復雜反應里物質之間的多重關系設計的高考試題具有綜合性強、區分度高,能較好地考查學生化學學科核心素養,值得關注與研究。本文針對某些涉及復雜反應的高考試題,如何著力快速、有效、準確地進行分析解答,總結并歸納為歸零化簡法和歸一化簡法兩種方法,與同行們分享。

1??歸零化簡法

[2020年化學高考(山東卷)18題]探究CH3OH合成反應化學平衡的影響因素,有利于提高CH3OH的產率。以CO2、?H2為原料合成CH3OH涉及的主要反應如下:

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

回答下列問題:?(1)略。(2)一定條件下,向體積為V?L的恒容密閉容器中通入1mol?CO2和3mol?H2發生上述反應,達到平衡時,容器中CH3OH(g)為amol,CO為bmol,此時H2O(g)的濃度為????????mol·L-1(用含a、?b、?V的代數式表示,下同),反應Ⅲ的平衡常數為????????。

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

1.1??標準方法解題

1.1.1??根據化學方程式求解

設由反應Ⅰ生成的CH3OH(g)為xmol,由反應Ⅱ生成的CH3OH(g)為ymol,則由題意知:?x+y=a。因為起始通入的物質為1mol?CO2和3mol?H2,沒有通入CO,平衡體系中的CO應為反應Ⅲ生成、反應Ⅱ消耗之后剩余的,根據反應Ⅱ消耗ymol?CO、余下的CO為bmol得知,由反應Ⅲ生成的CO(g)應為(b+y)mol。用圖1展示分析過程。

從上述反應過程看,H2O(g)由反應Ⅰ、?Ⅲ生成,平衡時n(H2O)=x+(b+y),整理有n(H2O)=(x+y)+b=(a+b)mol,故H2O(g)的濃度為c(H2O)=a+bVmol/L,第一空解答完成。反應Ⅰ、?Ⅲ消耗CO2,消耗的CO2物質的量n反應(CO2)=x+(b+y),整理有n反應(CO2)=(x+y)+b=(a+b)mol,反應達平衡時剩

余的n(CO2)=(1-a-b)mol;同理,由于反應Ⅰ、?Ⅱ、?Ⅲ均消耗H2,消耗的H2物質的量n反應(H2)=3x+2y+(b+y),整理有n反應(H2)=3(x+y)+b=(3a+b)mol,反應達平衡時剩余的n(H2)=(3-3a-b)mol。綜上分析,反應Ⅲ達平衡時各反應物的物質的量分別為n(CO2)=(1-a-b)mol、?n(H2)=(3-3a-b)mol、?n(CO)=bmol、?n(H2O)=(a+b)mol,對應的濃度分別為c(CO2)=1-a-bVmol/L、?c(H2)=3-3a-bVmol/L、?c(CO)=bVmol/L、?c(H2O)=a+bVmol/L,反應Ⅲ的平衡常數為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??列數學方程式求解

向容器里加入CO2和H2,反應后容器里有CO2、?H2、?CH3OH、?CO、?H2O,根據質量守恒定律列數學方程式求解,求解思路如圖2所示。

設平衡體系里的H2O(g)、?CO2、?H2物質的量分別為xmol、?ymol、?zmol,根據碳、氧、氫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

即平衡體系里各反應物的物質的量有n(H2O)=(a+b)mol、?n(CO2)=(1-a-b)mol、?n(H2)=(3-3a-b)mol。其他計算同1.1.1求解過程。

1.2??歸零化簡法解題

1.2.1??歸零化簡法解題過程

觀察反應Ⅰ、?Ⅱ、?Ⅲ,三者存在Ⅰ=Ⅱ+Ⅲ的關系,反應起始加入的物質是CO2、?H2,反應達平衡時體系存在的物質為CO2、?H2、?CH3OH(g)、?CO、?H2O(g),即生成物為CH3OH(g)、?CO、?H2O(g),即使“沒有”反應Ⅱ,由反應Ⅰ、Ⅲ也能由CO2、?H2轉化生成CH3OH(g)、?CO、?H2O(g)。若將反應Ⅱ“忽略”歸零后再分析,則不用算可“看”出結果。其思維過程可用圖3展示。

因為反應Ⅰ生成了a?mol?H2O,反應Ⅲ生成b?mol?H2O,所以平衡時H2O的物質的量為n(H2O)=(a+b)mol;因為反應Ⅰ消耗a?mol?CO2、反應Ⅲ消耗b?mol?CO2,所以平衡時CO2的物質的量為n(CO2)=(1-a-b)mol;因為反應Ⅰ消耗3a?mol?H2、反應Ⅲ消耗b?mol?H2,所以平衡時H2的物質的量為n(H2)=(3-3a-b)mol。再由題給信息n(CO)=b,達平衡時反應Ⅲ體系里各反應物的物質的量有n(CO2)=(1-a-b)mol、?n(H2)=(3-3a-b)mol、?n(CO)=bmol、?n(H2O)=(a+b)mol。其他計算過程同標準方法求解過程。

1.2.2??歸零化簡法解題原理

反應Ⅰ、?Ⅱ、?Ⅲ關系為:?Ⅰ=Ⅱ+Ⅲ,是典型的串聯反應。凡是反應所產生的物質能再起反應而生成其他物質的,稱為串聯反應,或稱連續反應[2]。設A起反應生成B,B又起反應生成C,這就是由兩個反應組成的串聯反應,可用圖4展示其關系。

見到上述圖形,很容易讓人想到蓋斯定律。蓋斯定律表明,在一定條件下,化學反應的反應熱只與反應體系的始態和終態有關,而與反應的途徑無關[3]。其實不僅反應熱如此,所有狀態函數都有這樣的性質,只與反應體系的始態和終態有關,而與反應途徑無關。由此思考,研究反應體系里反應物與生成物的物質的量關系,也可以“忽略”反應過程來分析,無論化學反應過程多么復雜,反應物和生成物中原子的種類和數目不變。串聯反應里物質間的轉化相當于一個“閉合”通路,以圖4展示的關系來看,忽略反應Ⅰ,物質A可通過反應Ⅱ先行轉化生成物質B,再由物質B通過反應Ⅲ轉化生成物質C,三種物質A、?B、?C的物質的量關系可只通過反應Ⅱ、Ⅲ來分析,也就是說,若三種物質A、?B、?C的物質的量關系滿足了反應Ⅱ、?Ⅲ的轉化關系,則必然滿足反應Ⅰ的轉化關系。這種忽略串聯反應里的某些反應,將其“歸零”后分析反應物、生成物間物質的量關系的方法稱之為歸零化簡法。

以歸零化簡法來分析2020年化學高考(山東卷)18題,可以分三種組合來理解容器中的三個反應:?組合①,可認為,容器里反應Ⅱ、?Ⅲ是獨立反應,反應Ⅰ是非獨立反應,有反應Ⅱ、?Ⅲ必有反應Ⅰ,反應Ⅱ、?Ⅲ“固定”著反應Ⅰ,正如圖4展示那樣,隱藏△ABC的任意一條邊不改變三角形的形狀,三種物質A、?B、?C之間的關系不會變化。向恒容密閉容器中通入1mol?CO2和3mol?H2,可以認為容器中先發生反應Ⅲ,再發生反應Ⅱ,反應Ⅰ是反應Ⅱ、?Ⅲ進行的結果;組合②,也可認為容器里發生的是反應Ⅰ、?Ⅱ。因為有Ⅲ=Ⅰ-Ⅱ,所以反應Ⅲ不是一個“獨立”的反應,而是反應Ⅰ之后,再由反應Ⅱ向逆反應方向進行的結果;組合③,類似分析,認為容器里只發生了反應Ⅰ、?Ⅲ。因為有Ⅱ=Ⅰ-Ⅲ,所以反應Ⅱ不是一個“獨立”的反應,只不過是反應Ⅰ、?Ⅲ進行的結果。將上述思維過程由圖5展示。

以哪一種組合來計算,可以根據題設內容調整。本題以組合③來計算最簡便。

回頭再看歸零化簡法,其實質就是抓住反應物和生成物,找到一條聯系反應物和生成物的反應的方程式“通路”,忽略其他反應的方程式,快速解答反應物、生成物的物質的量關系問題的方法。這種方法有別于1.1.1根據化學方程式求解方法,它忽略部分反應的方程式,讓反應物、生成物之間的物質的量關系更直接。這也有別于根據質量守恒定律1.1.2列數學方程式求解方法,質量守恒定律求解思路簡單,但列數學方程式計算較復雜,特別是多未知數的方程式組計算更復雜,而這里利用一條聯系反應物和生成物的反應的方程式“通路”求解,讓學生有“路”可循,按圖索驥就可以,易學易用。

1.2.3??歸零化簡法解題原理應用

類似問題很多,如鹽類水解。在氯化銨的水溶液里,存在水的電離平衡Ⅰ.H2OH++OH-、銨根離子的水解平衡Ⅱ.NH+4+H2ONH3·H2O+H+、一水合氨的電離平衡Ⅲ.NH3·H2ONH+4+OH-。不難看出三者轉化之間存在有Ⅰ=Ⅱ+Ⅲ關系,也就是說,其實只有兩個獨立的轉化,任何兩個轉化關系聯合便可以推出第三個轉化關系。用圖6展示其簡化后的三種組合,以任意一種組合來分析氯化銨水溶液里的平衡,都能輕松解決各微粒間的數量關系問題。

完全反應里的串聯反應也可以用歸零化簡法解決相關的問題,如硫化氫的燃燒反應分析,化簡過程用圖7展示。

2??歸一化簡法

2.1??標準方法解題

據圖8可知,此電化學裝置為電解池,通入CO2氣體的電極為陰極,通入CH4氣體的電極為陽極,固體電解質是用來傳導O2-的,電極反應式見表1。

根據生成的乙烯和乙烷的體積比為2∶1,即物質的量之比為2∶1,設生成的乙烷為1mol,則生成的乙烯為2mol,兩電極上轉移的電子為8+2=10mol;根據電子守恒,可計算出陰極上消耗的CO2為5mol,用圖9展示其思維過程。

故若生成的乙烯和乙烷的體積比為2∶1,則消耗的CH4和CO2體積比為6∶5。

2.2??歸一化簡法解題

2.2.1??歸一化簡法解題過程

乙烯和乙烷的體積比為2∶1,即“2C2H4+C2H6”。若將混合物“2C2H4+C2H6”視為純凈物,則其“分子式”為“C6H14”,將對應的兩個反應歸為一個反應,再寫出對應的電極反應式6CH4-10e-+5O2-C6H14+5H2O,變兩步計算為一步計算。其解題思路用圖10展示。

2.2.2??歸一化簡法解題原理

歸一化簡法解決的是平行反應問題。反應物能同時進行幾種不同的反應,則稱為平行反應[4]。在平行反應中,生成主要產物的反應稱為主反應,其余的反應稱為副反應。在工業生產中經常會有平行反應現象,這也是高考題常涉及到這類反應的原因。設反應物A能按一個反應生成B,同時又按另一個反應生成C,由這兩個反應組成的平行反應可用圖11展示其關系。

乙烷、乙烯皆為陽極氧化產物,電解池里實際存在兩個平行反應:?Ⅰ.2CH4+2CO2C2H4+2CO+2H2O,Ⅱ.2CH4+CO2C2H6+CO+H2O。若兩個或多個平行反應以固定比例進行時,則其反應物、生成物組成皆固定不變,反應物、生成物組合均可以視為純凈物,如此便能將兩個或多個平行反應歸為一個反應來解答問題,這種方法稱之為歸一化簡法。

2.2.3??歸一化簡法解題原理應用

類似問題很多,如氯氣和氫氧化鈉溶液反應,體系中存在兩個平行反應:?Cl2+2NaOHNaCl+NaClO+H2O,?3Cl2+6NaOH5NaCl+NaClO3+3H2O。當兩個平行反應以固定比例進行時,反應物Cl2、?NaOH組成固定不變,氧化產物NaClO和NaClO3組成也固定不變,如此便可以將兩個平行反應歸為一個反應來解決問題。

3??結束語

學貴有法、得法。按照《中國高考評價體系說明》“能夠在正確的思想價值觀念指導下,合理運用科學的思維方式與方法,有效地整合學科相關知識,運用學科的相關能力,高質量地認識問題、分析問題、解決問題的綜合品質”要求[5],解決復雜化學問題,可運用化學原理和思想化繁為簡、化難為易,著力培養學生解決問題的必備品格與關鍵能力,訓練學生高質量解決問題的綜合素養。

參考文獻:

[1][5]教育部考試中心.?中國高考評價體系[M].?北京:?人民教育出版社,?2019:?6~7,?20~26.

[2][4]張雄飛,?王少芬.?物理化學[M].?武漢:?華中科技大學出版社,?2017:?298~302.

[3]人民教育出版社,?課程教材研究所,?化學課程教材研究開發中心.?普通高中教科書·化學(選擇性必修1)[M].?北京:?人民教育出版社,?2020:?13~15.

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