化繁为简,学而后思——对2022年山东卷第20题的评析与思考
时间：2022-12-04 14:10:10 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
董 梅 赵雪
(1.山东省泰山中学 2.山东省教育招生考试院)
在新高考中,素养立意下化学反应原理试题越来越受到教师和学生的重视.在理解试题情境的基础上,能够迅速建构模型、确立思维框架,并准确获取关键信息,利用变化观念与平衡思想进行信息加工与重组,进而定性判断与定量表达是解决化学反应原理问题的一般思路与方法,而在建构模型中化繁为简,却是理解和解决问题的关键.本文以2022年山东省普通高中学业水平等级考试第20题为例分析“化繁为简”在模型构建中的应用.
题目利用γ-丁内酯(BL)制备1,4-丁二醇(BD),反应过程中伴有生成四氢呋喃(THF)和1-丁醇(BuOH)的副反应,涉及反应如图1所示.
图1
已知:①反应Ⅰ为快速平衡,可认为不受慢反应Ⅱ、Ⅲ的影响;②因反应Ⅰ在高压H2氛围下进行,故H2压强近似等于总压.回答下列问题:
(1)以5.0×10－3molBL 或BD 为初始原料,在493K、3.0×103kPa的高压H2氛围下,分别在恒压容器中进行反应.达平衡时,以BL 为原料,体系向环境放热XkJ;以BD 为原料,体系从环境吸热YkJ.忽略副反应热效应,反应Ⅰ焓变ΔH(493K,3.0×103kPa)＝_________kJ·mol－1.
(2)初始条件同上.xi表示某物种i的物质的量与除H2外其他各物种总物质的量之比,xBL和xBD随时间t变化关系如图2所示.实验测得X＜Y,则图中表示xBL变化的曲线是________;反应Ⅰ平衡常数Kp＝________kPa－2(保留2 位有效数字).以BL 为原料时,t1时刻xH2O＝_________,BD 产率为_________(保留2位有效数字).
图2
(3)(xBD/xBL)max为达平衡时xBD与xBL的比值.(493 K,2.5×103kPa)、(493 K,3.5×103kPa)、(513K,2.5×103kPa)这3种条件下,以5.0×10－3molBL为初始原料,在相同体积的刚性容器中发生反应,随时间t变化关系如图3所示.
图3
因反应在高压H2氛围下进行,可忽略压强对反应速率的影响.
曲线a、b、c中,(xBD/xBL)max最大的是________(填代号);与曲线b相比,曲线c达到＝1.0所需时间更长,原因是________.
答案(1)－200(X＋Y).
(2)a、c;8.3×10－8;0.08;39%.
(3)c;由于b和c代表的温度相同,而压强对反应速率的影响可忽略,压强增大反应Ⅱ、Ⅲ均是逆向移动,(xBD/xBL)max增大,曲线c达到＝1.0所需时间更长.
2.1 素材选取分析
试题选取了“利用γ-丁内酯(BL)制备1,4-丁二醇(BD)”真实生产过程作为背景材料,该生产工艺取自于《Chemical Engineering Progress》杂志.选取真实生产和化学前沿进行多角度的原理分析与探究,是山东省普通高中学业水平等级考试原理试题的一贯风格和显著特点.从素材选取角度看,试题展现的是真实的探究过程,符合《普通高中化学课程标准(2017年版2020年修订)》中所提出的“以真实情境为测试载体”的命题原则,体现了“重视开展高水平的实验探究活动”的教学导向,以引导高中化学教学中重视培养关键能力,助力提升学生的核心素养.
高中化学课程中,要求学生能从化学反应与能量、化学反应的方向、限度和速率等方面探索化学反应的规律和应用,进一步认识化学变化所遵循的基本原理,初步形成关于物质变化的科学观念.能书写平衡常数的表达式,能进行平衡常数、转化率的简单计算,能运用浓度、压强、温度等因素对化学平衡的影响规律,推测平衡移动方向及浓度、转化率等相关物理量的变化.虽然学生在学习过程中进行了大量相关练习,习得了相关的解决问题的经验和方法,但以往的练习中多为仅涉及一个可逆反应的简单平衡体系,而此题目涉及可逆反应、平行反应、连续反应,在新的情境下、在更为复杂的平衡体系中提取信息、梳理信息,构建模型,进行原理分析和数理计算,仍是学生的弱点.
2.2 呈现形式分析
试题信息和任务的呈现简单明了.首先,题干中简明扼要地给出问题情境:利用γ-丁内酯(BL)制备1,4-丁二醇(BD),除主反应Ⅰ外,反应过程中伴有生成四氢呋喃(THF)和1-丁醇(BuOH)的副反应Ⅱ和Ⅲ.然后给出信息①和②,之后是3 个问题链,问题(1)中在给定温度和压强的条件下,忽略副反应,分别以等物质的量的BL、BD 为初始原料,给出了达到平衡时的放热和吸热情况,计算该条件下反应Ⅰ的焓变;问题(2)中以图像的形式给出不同情况下某物种i的物质的量分数xi,通过对反应热的分析和数据的判断,找出曲线的对应关系并对平衡常数、xH2O和BD的产率进行计算;问题(3)的图像给出了随时间t变化的3条曲线,分析温度、压强对(xBD/xBL)max及速率的影响情况.
试题的呈现形式丰富新颖,通过设置与设问相关的文字、符号描述、反应过程的流程图、多个变量随时间t变化关系图像的情境,考查化学反应与能量、化学反应平衡与速率等规律和应用的核心知识点,突出“变化观念与平衡思想”“证据推理与模型认知”“科学探究与创新意识”等化学学科核心素养,符合“以核心素养为测试宗旨”“以实际问题为测试任务”的命题原则.
2.3 解题思路分析
将复杂的表述简单化、符号化处理,厘清条件(特别注意特殊条件).题干中看上去复杂的3个化学方程式经结构化处理后,呈现在眼前的化学反应信息直观、可见,将原题中图1简化处理后可知:
可逆反应(快速平衡):
连续平行反应(慢反应):
对BL、BD、THF等物质用简单的符号进行表征,厘清反应Ⅰ与反应Ⅱ、Ⅲ的区别与关系之后,题目的结构更加清晰.
第(1)问:在2 种不同投料方式的情况下,利用“三段式”可推知反应Ⅰ可达到相同的化学平衡状态,结合信息“高压H2氛围下,H2压强等于总压且保持不变”,设初始氢气的物质的量为n,基于三段式法进行定量计算,列出平衡常数Kp(BL 为初始原料)、Kp(BD为初始原料)表达式.设2种不同投料方式下BL的物质的量的变化量分别为x、y.
定量阐释:计算结果表明,无论以BL 或BD 为初始原料,最终达到的平衡状态是相同的(若投料为1mol,二者反应进度绝对值之和为1).因此,若有5.0×10－3molBL 完全反应,体系将向环境放热(X＋Y)kJ;而对于化学反应
其焓变为1molBL完全转化成BD 的等压反应热.由此推知:反应Ⅰ焓变
上述过程可借用数学中的“相遇问题”模型进行简化处理,可用图4表示.
图4
通过示意图可知,若5.0×10－3molBL完全转化成BD,放出热量(X＋Y)kJ,反应Ⅰ焓变
第(2)问:结合题目中的重要信息:“以BL 为原料,体系向环境放热XkJ;以BD 为原料,体系从环境吸热YkJ”“实验测得X＜Y”及两次实验条件是起始温度、压强和物料(以5.0×10－3molBL 或BD 为初始原料)相同的前提下,可推测出2次实验可达相同的化学平衡状态且BL、BD 在平衡体系中的占比xBL＞xBD,由此可知,图中表示xBL变化的曲线为x数值较大的a、c.
Kp的计算:首先明确反应Ⅰ的Kp的表达式:
在相同的条件下(温度和压强)BL 和BD 的分压之比与物质的量之比、在相同平衡体系中的物质的量分数相等,则
以BL为原料时,t1时刻的xH2O:分析简化处理后的反应为
反应Ⅱ和反应Ⅲ中生成的H2O 的总量与THF、BuOH 的总量相同,xBL、xBD分别为0.48、0.36,因此xH2O＝(1－0.48－0.36)÷2＝0.08.
计算以BL为原料时,t1时刻BD 的产率:
读图可知t1时刻xBD＝0.36,xBL＝0.48,计算可知THF、BuOH 的xi之和为0.08,将x当作物质的量进行模型简化,可推知投入的原料为
题目所给的3种条件改变的变量分别是温度和压强,明确指出压强对反应速率的影响可忽略,因此本题中影响反应速率的主要因素是温度,而影响平衡的主要因素为温度和压强.
反应Ⅰ是气体体积减小的反应,所以压强增大,平衡正向移动,生成更多的BD;反应Ⅱ、Ⅲ是气体体积增大的反应,所以压强增大,平衡逆向移动,也生成更多的BD.所以高压条件下(xBD/xBL)max数值较大.
图3中,a达到平衡所用的时间最少,说明其反应温度高.b、c温度相同,c达到平衡用时与b相比较长,说明c的(xBD/xBL)max更大.
通过对近几年试题的分析,我们发现在学习中应特别重视必备知识的积累、整合和关联.在学习过程中,夯实基础的同时,重视知识的结构化处理,便于快速提取解决问题中用到的概念、规律、方法,努力把每一个概念及理论真正弄清楚,深刻理解其内涵和外延,熟悉在新的情境下的迁移应用.
在本题的具体解决过程中,我们发现模型的简化处理是分析化学平衡问题的利器.xi中的“ⅰ”的理解和使用是简化计算的妙招;阿伏加德罗定律的推论中“同温同容下各气体分压之比等于物质的量之比”的灵活使用也能大大减少计算量;通过对题目中一个新颖的物理量——(xBD/xBL)max及其与时间的关系图像的分析,能解读出该图反应温度和压强下的化学平衡与速率的关系,并将图像“翻译”成熟悉的文字表达,以应用“数形结合法”实现问题解决.掌握这种“化繁为简”的转化方法,一定能让学生插上有力的翅膀,奔赴美好的前程.要做到“化繁为简”,需在审情境时善于提取核心信息、构建模型、应用模型规律和方法迅速解决问题.师生要多归纳总结,反思问题解决的思路和方法,形成可迁移的思维方法.
(完)
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