研究反應特點,探析解題思路
——以山東高考“化學反應原理綜合題”為例

孝衍嬌 王婷婷

(山東省北鎮中學)

化學反應原理綜合題是高考化學中極富挑戰性的題目,其綜合性強、變式多,難度不言而喻。2022年山東省高考化學試題中化學反應原理綜合題以有機反應為載體,且連續反應過程中又包含兩個競爭反應,涉及考點有反應熱的計算、化學平衡圖像分析、平衡常數的計算、產率計算、原因分析,學生紛紛表示“看不懂”“算不對”,化學反應原理綜合題真的高不可攀嗎?筆者認為并非如此,高考試題給了原本并不復雜的化學反應太多包裝,倘若我們認真研究反應的本質及特點,自然可以“去偽求真”,構建解題模型。

接下來筆者將給大家呈現2022年山東卷,20題化學反應原理綜合題解題步驟,著重于解題思維的訓練與培養過程。

【原題呈現】利用γ-丁內酯(BL)制備1,4-丁二醇(BD),反應過程中伴有生成四氫呋喃(THF)和1-丁醇(BuOH)的副反應,涉及反應如下:

已知:①反應Ⅰ為快速平衡,可認為不受慢反應Ⅱ、Ⅲ的影響;②因反應Ⅰ在高壓H2氛圍下進行,故H2壓強近似等于總壓。

回答下列問題:

(1)以5.0×10-3mol BL或BD為初始原料,在493 K、3.0×103kPa的高壓H2氛圍下,分別在恒壓容器中進行反應。達平衡時,以BL為原料,體系向環境放熱XkJ;以BD為原料,體系從環境吸熱YkJ。忽略副反應熱效應,反應Ⅰ焓變ΔH(493 K,3.0×103kPa)=________kJ·mol-1。

(2)初始條件同上。xi表示某物種i的物質的量與除H2外其他各物種總物質的量之比,xBL和xBD隨時間t變化關系如圖甲所示。實驗測得X

圖甲

。

圖乙

【分析】本題以1,4-丁二醇(BD)的制備原理為背景進行考查,題干中涉及三個化學方程式,但并不是常見的完整方程式,而是以小流程圖的形式給出,給學生以復雜陌生感。通過觀察將其轉化為熟悉的形式,反應Ⅰ為快速平衡,可認為不受慢反應Ⅱ、Ⅲ的影響,即反應Ⅰ是主反應:

圖1

平衡常數的計算需要代入各氣體組分的分壓,而xH2O、BD產率的相關計算過程中由于已知條件②,我們可以將H2看作反應體系的環境,故在平衡體系中除H2后反應又可簡化為

這樣將反應Ⅱ、Ⅲ看作兩個競爭反應,我們觀察到其反應特點均為BD等物質的量地轉化為某物質與H2O,由此可繼續將反應簡化為

BD產率的計算是多重平衡體系計算的難點,在多重化學反應體系中各組分的濃度、物質的量和氣體的平衡分壓等各物理量可以等效為一個數值且相等。

方法一:列“三段式”進行運算,將轉化量設成未知數amol、bmol。

起始量(mol) 5.0×10-30

轉化量(mol)aa

平衡量(mol) 5.0×10-3-aa

起始量(mol)a0 0

轉化量(mol)bbb

平衡量(mol)a-bbb

方法二:三段式與圖表信息結合運算

若先分析反應特點求算出xH2O=0.08,再代入求b。

在傳統列三段式的基礎上充分結合圖表信息,減少了計算量。

方法三:結合反應特點,充分利用圖表信息

試想,由于題中給出的信息是物質的量占除H2外其他各物種總物質的量的分數,那么是否可以無需計算具體的物質的量,而根據分數去求算?

高考試題體現了“服務選拔”的功能指向,處處滲透著“情境”“素養”“問題”和“知識”,這就對學生提出了更高的要求,不僅要會“解題”,更要學會“解決問題”,從繁雜的題干中找到關鍵所在,提取有效信息,靈活處理。分析山東省近三年的高考化學題中,化學反應原理綜合題均以多重平衡體系為背景,不避熱點,規律有跡可循。如2020年山東卷18題,部分題干信息如下:

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:

回答下列問題:

(1)ΔH3=________kJ·mol-1。

(2)一定條件下,向體積為VL的恒容密閉容器中通入1 mol CO2和3 mol 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________。

【分析】通過觀察以及第一問ΔH3的求算過程可得反應Ⅱ+Ⅲ=Ⅰ,以CO2、H2為原料合成CH3OH,一旦發生反應Ⅱ,相當于Ⅲ轉化為Ⅰ,由此,我們就將三個反應簡化為兩個反應,主反應Ⅰ、副反應Ⅲ,即兩重競爭平衡體系,繼而列出三段式:

起始量(mol) CO2:1;H2:3;CH3OH、H2O、CO均為0

反應Ⅰ

轉化量(mol)a3aaa

轉化量(mol)bbbb

平衡量(mol) CO2:1-a-b;H2:3-3a-b;CH3OH:a;H2O:a+b;CO:b

代入便可得出結果。

再如2021年山東卷20題,部分題干信息如下:

2-甲氧基-2-甲基丁烷(TAME)常用作汽油原添加劑。在催化劑作用下,可通過甲醇與烯烴的液相反應制得,體系中同時存在如圖反應:

反應Ⅱ+Ⅲ=Ⅰ,由此我們在涉及平衡的計算中仍然認為體系中只存在反應Ⅰ、Ⅲ,大大簡化了求算過程。

通過分析,不難發現近幾年山東高考反應原理綜合題載體均為多重平衡體系,難點為轉化率、各組分含量、產率等的計算,多重平衡體系的化學反應看起來盤根錯節、眼花繚亂,但細細看來無非是兩種關系:競爭反應、連續反應。我們需要分析反應特點,簡化反應過程,掌握兩重平衡(連續反應、競爭反應)體系中三段式的列式計算,尖銳的問題便在不知不覺中弱化而解。

化學學科從微觀角度研究物質,體現了化繁為簡、把握根本的大智慧,面對眾多化學反應,我們往往把研究重點放在“原理”上,反而忽略了研究對象,因此對于化學反應原理綜合題,首要任務是分析其反應特點,知不變,以應萬變,成之道也。