建立解題模板，突破化學平衡圖像難點問題

陜西 王志剛

在近年高三化學復習備考中，依據平衡圖像進行的判斷與計算，是眾多高三學生望而生畏的一類考題。學生遇到此類問題時，要么不得要領，失分率極高，要么直接放棄。此類問題已儼然成為高三化學復習備考道路上的“攔路虎”，迫切需要突破與解決。筆者在教學實踐中發現，對于此類問題，應仔細琢磨，精心研究，找到問題突破口，以點帶面，逐步突破。

一、精心研究，找準考題難點

【例1】(2022·九師聯盟質量檢測理綜·28題節選)我國科學家合成高選擇性光催化劑，在溫和條件下利用CO2合成CH3CHO

ΔH1=-170 kJ·mol-1

回答下列問題。

該反應的平衡常數K與k正、k逆的關系是________。k正、k逆的負對數用pk表示，與溫度(T)關系如圖1所示。其中代表pk正與T關系的直線是________(填標號)，判斷理由是

。

圖1

(4)一定溫度下，在剛性密閉容器中充入1 mol CO2和xmol H2，僅發生反應1，測得平衡體系中CH3CHO的體積分數(φ)與x關系如圖2所示。在e、f、g、h4點中，CO2轉化率最高的點是________(填字母)，f點對應體系中H、O原子個數比接近________。

圖2

(5)一定溫度下，在剛性密閉容器中充入2 mol CO2和5 mol H2，發生反應1和2，達到平衡時CH3CHO的選擇性為80%，CO2的平衡轉化率為45%，總壓強為560 kPa。反應1的平衡常數Kp=________(只列計算式，不帶單位)。

Kp為分壓計算的平衡常數，分壓=總壓×物質的量分數。

【參考答案及解析】本題給定了一對競爭反應，考查學生的數學分析能力和計算能力。解題時需要結合圖像，系統分析，詳細計算。

(4)隨著H2投料量的增加，另一種反應物CO2的轉化率增大，CO2轉化率最高的點是h。f點的平衡體系中CH3CHO的體積分數最大，則投料比為反應1的系數比[n(CO2)∶n(H2)=2∶5]，故該點H、O原子個數比接近5∶2。

(5)中，需要對2個競爭反應進行系統研究，方法如下：

反應1中

-0.8 mol -2 mol +0.4 mol +1.2 mol

反應2中

-0.1 mol -0.4 mol +0.1 mol +0.2 mol

平衡時，剛性容器中平衡總壓為560 kPa，

CO2(g) H2(g) CH3CHO(g) H2O(g) CH4(g)

平衡量： 1.1 mol 2.6 mol 0.4 mol 1.4 mol 0.1 mol

物質分壓： 110 kPa 260 kPa 40 kPa 140 kPa 10 kPa

通過考題剖析可以發現，本題主要考查以下幾點：

(1)平衡圖像中特殊點的含義；

(2)結合平衡圖像或方程式解釋問題；

(3)連續或競爭反應中平衡常數(K)的計算。

這些問題是解題的難點也是考查的熱點，教師在備課及上課時需要引導學生深入研究、用心思考、細心計算，然后建立解題模板，幫助學生掌握解題方法。

二、針對難點，建立解題模板

【例2】(2022·西安市長安區高三第2次質量檢測理綜·28節選)一碘甲烷(CH3I)熱裂解可制取乙烯等低碳烯烴。

(1)一碘甲烷(CH3I)熱裂解時主要反應有

圖3

①當體系溫度高于600 K時，乙烯的物質的量分數隨溫度升高而顯著增加的可能原因是

；

②若維持體系溫度為715 K，CH3I(g)的平衡轉化率為________，反應Ⅰ以物質的量分數表示的平衡常數Kx=________。

【參考答案及解析】要準確解答①的問題，首先要明確C2H4的來源有三處，即反應Ⅰ正向移動生成C2H4，反應Ⅱ、Ⅲ逆向移動生成C2H4。ΔH1>0(吸熱)，ΔH2<0(放熱)，ΔH3<0(放熱)，T>600 K時，反應Ⅰ正向移動生成C2H4，反應Ⅱ、Ⅲ逆向移動生成C2H4，故C2H4物質的量分數隨溫度的升高而顯著增加；

要做好②的平衡計算問題，準確分析圖像中“特殊點”(一般為“最高點”“最低點”“交點”“始點”“終點”“轉折點”等)是有效的解題手段，“三段式”計算是方法，按步驟計算是操作。

CH3I C2H4HI C3H6C4H8

開始 100% 0 0 0 0

變化 4% 64% 8% 8%

平衡 16% 4% 64% 8% 8%

CH3I(g)平衡轉化率(通過碳原子守恒，均折算成CH3I進行計算)：

通過研究可以發現，解決此題的難點為以下幾點：

難點1 平衡圖像中，特殊點的尋找

(1)難點在于復雜圖像，尤其是復合圖像中，學生不能準確找出圖中的關鍵點；

(2)突破辦法：觀察圖像，用心研究“最高點”“最低點”“交點”“始點”“終點”“轉折點”等特殊點的含義。

如本題中，715 K時，C2H4物質的量分數為4%，C3H6、C4H8物質的量分數曲線相交(8%)點就是解題的特殊點。在分析平衡圖像時，需要對這些特殊點進行重點研究。

難點2 結合平衡圖像，闡述原因

(1)難點在于學生答題時不得要領，不能抓住問題的核心與關鍵；

(2)突破辦法：細心分析圖像信息，研究反應特征，按點作答。

如本題中，“當體系溫度高于600 K時，乙烯的物質的量分數隨溫度升高而顯著增加的原因”問題。分析題目時，圖像展現的是乙烯物質的量分數隨溫度變化的直觀結果，乙烯生成或消耗的反應特征是答題的切入點，按照溫度升高，反應Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的平衡移動方向作答，可以輕松突破難點。

難點3 連續或競爭反應中，平衡常數的計算

(1)難點在于連續或競爭反應中，反應相互干擾，學生計算時不得要領；

(2)突破辦法：活用“三段式”法，列出所有反應物與生成物，逐一計算。

如在本題中，“以物質的量分數表示平衡常數Kx”問題。解題時運用“三段式”法，列出反應涉及的5種物質CH3I、C2H4、HI、C3H6、C4H8，逐一計算出各物質平衡時的含量。解題時分解難點、逐一求解，即可順利算出結果。

三、運用模板，做好高考真題

【例3】(2022·全國乙卷·28節選)油氣開采、石油化工、煤化工等行業廢氣普遍含有的硫化氫，需要回收處理并加以利用，回答下列問題：

(4)在1 373 K、100 kPa反應條件下，對于n(H2S)∶n(Ar)分別為4∶1、1∶1、1∶4、1∶9、1∶19的H2S-Ar混合氣，熱分解過程中H2S轉化率隨時間的變化如圖4所示。

圖4

①n(H2S)∶n(Ar)越小，H2S平衡轉化率________，理由是

；

②n(H2S)∶n(Ar)=1∶9對應圖中曲線________，計算其在0～0.1 s之間，H2S分壓的平均變化率為________kPa·s-1。

【參考答案及解析】由H2S熱分解反應方程可以推知，n(H2S)∶n(Ar)越小，H2S的轉化率越高。理由是若H2S含量越小，H2S的分壓就越小，則化學平衡就會向氣體體積增大(正向)方向移動，因而H2S平衡轉化率就越高；

由于n(H2S)∶n(Ar)越小，H2S的轉化率越高，則曲線a、b、c、d、e分別對應的是4∶1、1∶1、1∶4、1∶9、1∶19時的曲線，故n(H2S)∶n(Ar)=1∶9對應的曲線為d曲線。

最后一步計算是本題的難點與精華部分。計算之前，需要明確兩個問題：一是H2S熱分解是在恒壓裝置中進行的；二是“H2S分壓的平均變化率”就相當于是H2S的平均反應速率。剩下的步驟則是找準“特殊點”，按照“三段式”法進行詳細計算。

取10 mol混合氣體，

因為n(H2S)∶n(Ar)=1∶9，

所以n(H2S)=1 mol。

由圖4可知，當反應到0.1 s時，a(H2S)=24%。

開始 1 mol 0 0

變化 0.24 mol 0.24 mol 0.12 mol

0.1 s 0.76 mol 0.24 mol 0.12 mol

反應到0.1 s時，n(總)=10.12 mol

通過鞏固練習還發現，答題時應注意以下幾點：

(1)平衡圖像中，特殊點的尋找也是處于變化之中的。如本題中，通過C2H4、C3H6、C4H8選擇性最高點的對應溫度，回答“短鏈烯烴(n≤4)生成的溫度范圍”問題，需要靈活找點。

(2)平衡簡答題，分點回答最科學。如在閱卷中，針對簡答題的描述，教師就是找出得分點，按點得分。按點答題，實則也是考生思維嚴謹性的體現。

(3)平衡常數計算，“三段式”法的確是一個好的解題方法。如在考試中，面對較大量的考題時，學生運用“三段式法”，可以快速理清數據關系，求出結果，能起到穩定學生考試情緒的作用。