探究化學反應是否存在反應限度的解題思路

」2(正高級教師)3 1（1.2.2.）

在“新課標、新高考、新教材”三新背景下，高考試題持續重視實驗并不斷增加探究要素，設置相當數量的表述題，旨在引導學生外顯其思維過程，增強不同模塊的融合意識.近年來，北京高考題趨向于以氧化還原為核心，圍繞一個可逆反應體系展開命題.試題從化學平衡移動、電化學、實驗探究、結構化學等多個層面進行多角度設問，全面考查學生的證據推理和實驗探究等能力.本文以探究一個化學反應是否存在反應限度為切入口，基于證據推理歸納總結一般的解題思路和方法.

1從反應物和生成物共存的角度證明可逆反應

若能證明反應物和生成物共存于同一反應體系中，或證明在完全反應后反應物仍有剩余，便可以證明該化學反應存在反應限度，從而可以判定其為可逆反應.

一例1將 0.2mol?L^-1K I溶液和 0.05mol?L^-1 Fe₂(SO₄)₃ 溶液等體積混合后，取混合溶液分別完成下列實驗（如表1），能說明溶液中存在化學平衡業 ?2Fe³⁺+2I^-2Fe²⁺+I₂ ”的是（ ）.

具體分析 實驗目的：證實該條件下是 NO₂^- 氧化了KI.

預判干擾的存在：多種微粒存在的復雜體系中，I^- 被氧化，而氧化性微粒不唯一.

構建證據鏈確定干擾來源：混合體系本身（多種氧化劑）.理論分析層面， NO₃^- 和 NO₂^- 均有氧化性，可能氧化 I^- ；實驗證據層面，生成淡紅棕色氣體，可能為 NO₃^- 和 NO₂^- 被還原為NO，NO遇空氣變紅棕色 NO₃^- 是判斷 NO₂^- 是否氧化了KI的干擾.

干擾的排除：思路1，設置對比實驗.可配制一份與步驟Ⅲ后試管中一樣濃度但唯獨去除 NO₂^- 的溶液，重復步驟Ⅳ，結合題目濃度、體積等數據，控制NO₃^- 濃度相同（對比實驗的設計要遵循控制變量原則)，即取 xmL 濃度約為 的NaNO₃ 溶液于試管中，先加入與步驟 IV 等濃度等體積的KI溶液，再加入硫酸至溶液的 pH 為 ，在相同時間內觀察，若沒有明顯變化，則證明是 NO₂^- 氧化了KI.思路2，直接去除干擾.可配制一份與步驟Ⅲ后試管中一樣濃度但唯獨去除 NO₃^- 的溶液，重復步驟V，在沒有 NO₃^- 的條件下其他操作和條件相同（同上），若仍出現淺黃色溶液和淡棕色氣體，則證明

NO₂^- 可氧化KI.

本題目已確定現象為“沒有明顯變化”，則采取思路1作答.

在化學實驗檢驗中，無論是針對特定物質/微粒的檢測，還是驗證某一反應的發生，均須系統分析干擾因素.兩種情況的具體思考路徑稍有不同：1)若要檢驗某物質X是否存在，首先要明確X的性質（如顏色、氧化性、還原性、顯色反應等），選擇檢驗試劑（如“補鐵劑中鐵元素的檢驗”案例)；然后判斷混合體系中可能存在的干擾來源、具體干擾微粒和排除干擾的方法.2)若要通過微粒檢驗來驗證某反應是否發生，則需先聚焦目標反應，明確反應物與產物的對應關系，然后關注副反應的可能性及產物的唯一性，確保結論的準確性.

從高一、高二的初步接觸，到高三的系統復習，大家要逐步構建起應對干擾問題的思維模型，能夠在復雜問題中識別、分析并排除實驗中的干擾因素.以物質性質為基石，以干擾分析為突破口，穿透現象迷霧，直擊化學本質，提升科學思維和問題解決能力，從“被動接受\"轉向“主動預判”，實現高考化學實驗的思維破局.

（完）

表1

A. ① 和 ② B. ② 和 ④ C. ③ 和 ④ D. ① 和 ③

分析本題旨在通過實驗驗證反應物和生成物共存于同一反應體系中來證明反應 2Fe³⁺+2I^- 2Fe²⁺+I₂ 是可逆反應，但需要引起注意的是 I^- 的濃度為 0.2mol?L^-1 . Fe³⁺ 的濃度為 0.1mol?L^-1 ，顯然I^- 是過量的，因此，只能通過證明 Fe³⁺ 與 Fe²⁺ 或 Fe³⁺ 與 I₂ 共存于同一體系中來證明反應中存在化學平衡，即 ① 和 ③ 或 ① 和 ④ 均可證明.答案為D.

2從化學平衡移動的角度證明可逆反應

通過改變反應物或者生成物的濃度，或者改變溫度、壓強，促使化學平衡發生移動，從而在實驗現象上呈現出明顯的變化，以此來證明該反應為可逆反應.

例2探究濃度對化學平衡的影響，實驗如下：

I.向 5mL0.05mol?L^-1FeCl₃ 溶液中加入5mL 0. 05mol?L^-1KI 溶液(反應a），平衡后分為兩等份.

Ⅱ.向一份平衡溶液中加入飽和KSCN溶液，變紅(反應b)；加入 CCl₄ ，振蕩、靜置，下層顯極淺的紫色.

Ⅲ.向另一份平衡溶液中加入 CCl₄ ，振蕩、靜置，下層顯紫紅色.

結合實驗，下列說法不正確的是（ ）.

A.反應a為 2Fe³⁺+2I^-2Fe²⁺+I₂ B.Ⅱ中，反應a進行的程度大于反應bC.比較氧化性：Ⅱ中， I₂>Fe³⁺ D.比較水溶液中 c(Fe²⁺):I

分析本題同樣以反應 2Fe³⁺+2I^-2Fe²⁺+I₂ 為體系展開命題，但研究的方法和探究的程度相對于例1更加深入.實驗Ⅱ中通過加入飽和KSCN溶液后，溶液變紅說明此反應為可逆反應，選項A說法正確.加入飽和KSCN溶液降低了 Fe³⁺ 的濃度，平衡逆向移動，氧化性： I₂ （氧化劑） Φ>Fe³⁺ （氧化產物），選項C說法正確.加入 CCl₄ 后， I₂ 濃度降低，下層呈現出極淺的紫色，與實驗Ⅲ中顯紫紅色相比，證明了反應b進行的程度大于反應a，因此選項B說法錯誤.實驗Ⅲ中直接加入 CCl₄ 后，下層呈現出紫紅色，水溶液中 I₂ 的濃度降低，平衡正向移動，因此，水溶液中 c(Fe²⁺) ：I

例3（2023年北京卷，節選)資料顯示， I₂ 可以將 Cu 氧化為 Cu²⁺ .某小組同學設計實驗探究 Cu 被I₂ 氧化的產物及銅元素的價態.

已知： I₂ 易溶于KI溶液，發生反應 I₂+I^-I₃^- （紅棕色）； I₂ 和 I₃^- 氧化性幾乎相同；實驗Ⅲ所得溶液中，被氧化的銅元素的可能存在形式有 [Cu(H₂O)₄]²⁺ （藍色）或 [CuI₂]^- （無色）.將等體積的KI溶液加入Ψ_m mol銅粉和 nmolI₂(n>m) 的固體混合物中，振蕩（實驗現象如表2所示）.

表2

（1）初始階段， Cu 被氧化的反應速率：實驗I（填“ > ”“ < ”或“ \")實驗Ⅱ.

(2)結合實驗Ⅲ，推測實驗I和 I 中的白色沉淀可能是 CuI ，實驗I中銅被氧化的化學方程式是.分別取實驗I和 I 充分反應后的固體，洗滌后得到白色沉淀，加入濃KI溶液， （填實驗現象），觀察到少量紅色的銅.分析銅未完全反應的原因是

分析本題以 2Cu+I₂=2CuI 為核心，通過調控I₂+I^-I₃^- 展開命題 I₂ 在水中溶解度很小， Cu 主要被 I₃^- 氧化.通過觀察紅色的 Cu 粉和 I₂ 是否完全溶解以及反應后溶液的顏色對比得出.隨著KI溶液濃度的升高，反應 I₂+I^-I₃^- 正向移動， I₂ 的溶解度增加，I₃^- 濃度增大，參與反應的 Cu 粉增多，生成的白色CuI沉淀增加，與 I^- 生成的 [CuI₂]^- 增多.通過以上整體分析之后，不難理解實驗I和實驗Ⅱ中，提高KI濃度，便于提高 I₃^- 的濃度，與 Cu 接觸更加充分， Cu 與 I₃^- 的反應速率加快，故實驗I的反應速率小于實驗Ⅱ的.

另外，分別取實驗I和Ⅱ充分反應后的固體，洗滌后得到白色沉淀 CuI ，加入濃KI溶液，白色沉淀逐漸溶解為 [CuI₂]^- ，溶液變為無色，但觀察到少量紅色的銅，由于 I₂ 過量，但 Cu 粉仍有剩余，從這個角度可反推反應 2Cu+I₂=2CuI 可能為可逆反應，

答案 (1)<

(2） 2Cu+I₂=2CuI( 或 2Cu+KI₃=2CuI+KI) ：白色沉淀逐漸溶解，溶液變為無色；銅與碘的反應為可逆反應（或 I₃^- 濃度太小未能氧化全部的 Cu)

3從反應可以正向和逆向進行的角度證明可逆反應

在同一條件下，一個反應可以正向進行，同時也可以逆向進行，就被定義為可逆反應.基于可逆反應的定義展開證明，以例4為例.

例4 (2021年北京卷，節選)某小組通過實驗驗證“ Ag⁺+Fe²⁺Fe³⁺+Ag^， 為可逆反應.

實驗I：將 0.0100mol?L^-1Ag₂SO₄ 溶液與0. 040 0mol?L^-1FeSO₄ 溶液 (pH=1) 等體積混合，得到灰黑色沉淀和黃色溶液，

實驗Ⅱ：向少量 Ag 粉中加入 0.010 0mol?L^-1 Fe₂(SO₄)₃ 溶液( ΔpH=1 ）， Ag 粉完全溶解.

① 取I中沉淀，加入濃硝酸，證實灰黑色沉淀為Ag.現象是

② Ⅱ中溶液選用 Fe₂ （ SO₄)₃ 溶液，不選用Fe(NO₃) 3溶液的原因是

綜合上述實驗，可證實“ Ag⁺+Fe²⁺Fe³⁺+ Ag√\"為可逆反應.

分析對于反應 Ag⁺+Fe²⁺Fe³⁺+Ag↓ ，實驗I從正方向出發，通過向I中沉淀加入濃硝酸，沉淀溶解，并產生紅棕色氣體，來證實沉淀為 Ag ，從而說明上述反應可以正向進行；實驗Ⅱ從逆方向出發，Ag 粉完全溶解即可證明上述反應可以逆向進行.Ⅱ中溶液選用 Fe₂(SO₄)₃ ，不選用 Fe(NO₃)₃ 的原因是酸性條件下， NO₃^- 具有氧化性，可以氧化 Ag 和 Fe²⁺

答案 ① 灰黑色沉淀溶解，并產生紅棕色氣體.② 酸性條件下， NO₃^- 具有氧化性也能溶解 Ag 單質，對實驗造成干擾.

4從原電池的角度證明可逆反應

原電池中因為電子從負極向正極轉移而導致電流計指針向正極發生偏轉，通過改變負極室或正極室電解質溶液的濃度，觀察指針的偏轉方向或幅度來證明某化學反應為可逆反應.

例5 (2021年北京卷，節選)某小組通過實驗驗證“ Ag⁺+Fe²⁺Fe³⁺+Ag↓ ”為可逆反應.

該小組同學采用電化學裝置(如圖1)從平衡移動角度進行驗證.補全試劑、操作及現象.

圖1

分析由圖1可知，本題需要利用原電池原理來證明反應 Ag⁺+Fe²⁺Fe³⁺+Ag↓ 為可逆反應.兩電極反應分別為 Fe²⁺-e^-=Fe³⁺ ， Ag⁺+e^-=Ag 首先，選擇合適的電極，圖1中右側電極為 Ag 電極，那么左側電極a則應選擇不與 Fe³⁺ 和 Fe²⁺ 反應的材料，可用石墨或者鉑電極.其次，選擇合適的電解質溶液，左側燒杯中電解質溶液必須含有 Fe³⁺ 或者 Fe²⁺ ，因此電解質溶液b可采用 FeSO₄ 溶液或 Fe₂(SO₄)₃ 溶液或二者的混合溶液.右側燒杯中電解質溶液必須含有 Ag⁺ ，可采用 AgNO₃ 溶液.組裝好儀器后，加入電解質溶液，閉合開關K，裝置產生電流，指針發生偏轉.b中所加試劑的不同，電流方向可能不同：若b中加入的是 Fe₂(SO₄)₃ 溶液， Ag 電極則會逐漸溶解，指針向左側偏轉，一段時間后指針歸零，說明此時反應達到平衡，此時，可向右側加入濃度更大的 AgNO₃ 溶液，指針向右側發生偏轉.一段時間后指針歸零，再向左側燒杯中加入較濃的 Fe₂(SO₄)₃ 溶液，指針再次向左偏轉，則可證明平衡發生移動.若b中加入的是FeSO₄ 溶液， Ag 電極上有灰黑色固體析出，指針向右側偏轉，一段時間后指針歸零，說明此時反應達到平衡，此時，可向右側燒杯中加入濃度更大的 AgNO₃ 溶液，指針再次向右側發生偏轉，或者向左側燒杯中加入Fe₂(SO₄)₃ 溶液，指針向左偏轉，都可證明平衡發生移動，即可證實 Ag⁺+Fe²⁺Fe³⁺+Ag↓ 為可逆反應.

通過以上實例論證，證明一個反應為可逆反應的方法可分為以下4種：從反應物和生成物共存的角度證明；從化學平衡移動的角度證明；從反應可以正向和逆向進行的角度證明；從原電池的角度證明.

（完）