一道原创化学反应原理加试题的命制及教学启示*

□王星乔 周千红 包朝龙

（1.宁波市鄞州中学，浙江宁波 315104；2.宁波市教育局教研室，浙江宁波 315012）

“化学反应原理”从热力学、动力学等方面探索化学反应的规律及人类对其控制与利用，对于提升学生“变化观念与平衡思想”素养具有无可替代的作用。因此，化学反应原理成了浙江省化学选考的必考题。

表1 浙江省6份选考反应原理加试题内容分布

一、浙江省选考化学反应原理加试题内容分布

依据《普通高中化学课程标准（2017年版）》[1]、《浙江省普通高中学业水平考试暨高考选考科目考试说明》[2]，结合近几年浙江选考化学反应原理加试题的考查内容，将2020年前的6份化学反应原理加试题考查内容作如下划分与编码：化学反应与热能（A-1）、化学反应与电能（A-2）、化学反应的方向与限度（B-1）、化学反应速率（B-2）、化学反应的调控（B-3）、电离平衡（C-1）、水解平衡（C-2）、图表分析与作图（D），具体见表1。从表1可知，浙江省选考化学反应原理加试题以实际工业或生活应用材料为情境，考查化学反应与能量变化、化学反应方向与限度、反应速率、化学平衡移动等相关内容，较少涉及“水溶液中的离子反应与平衡”。试题要求综合运用化学反应速率和化学平衡，解决生产、生活和科学研究中的实际问题，注重图表信息的获取与输出（作图、语言表述能力）。

二、原创试题呈现*

（一）试题

（10分）甲醇水蒸气重整制氢（SRM）是用于驱动电动汽车的质子交换膜燃料电池的理想氢源，当前研究主要集中在提高催化剂活性和降低尾气中CO含量，以免使燃料电池Pt电极中毒。重整过程发生的反应如下：

其对应的平衡常数分别为K1、K2、K3，其中K2、K3随温度变化如表2所示。

表2 一定温度下平衡常数K2、K3的数值

请回答：

（2）相同条件下，甲醇水蒸气重整制氢较甲醇直接分解制氢（反应Ⅱ）的先进之处在于

（3）在常压、Cat.1催化下，CH3OH和H2O混合气体（体积比1∶1.2，总物质的量2.2 mol）进行反应，t1时刻测得CH3OH转化率及CO、CO2选择性随温度变化情况分别如图1所示（CO、CO2的选择性：转化的CH3OH中生成CO、CO2的百分比）。

图1 CH3OH转化率及CO、CO2选择性随温度变化情况

A.反应适宜温度为300℃

B.工业生产通常在负压条件下进行甲醇水蒸气重整

C.已知Cat.2催化剂具有更高催化活性，可提高甲醇平衡转化率

D.添加CaO的复合催化剂可提高氢气产率

②260℃时H2物质的量随时间的变化曲线如图2所示。画出300℃时至t1时刻H2物质的量随时间的变化曲线。

图2 260℃时H2物质的量随时间的变化曲线

（4）副产物CO2可以在酸性水溶液中电解生成甲酸，生成甲酸的电极反应式是

（二）参考答案及评分标准

（1）高温（1分），＞（1分）

（2）甲醇转化率高；产物中氢气含量高，一氧化碳含量低（2分，答对一点得1分）

（3）①ABC（2分，错选不得分，漏选得1分）

②如图3

图3 300℃时至t1时刻H2物质的量随时间的变化曲线

评分要点：先于260℃曲线达到平衡，终点在2.95（2分）

三、试题分析报告

（一）素材来源

（1）题干背景及平衡常数数据来源于参考文献[3]。

（2）题（3）中有关一定条件下CH3OH转化率及CO、CO2选择性随温度变化情况来源于参考文献[4]。

（二）双向细目表

学科核心素养的划分根据《普通高中化学课程标准（2017年版）》，化学学科基本能力的划分依据《浙江省普通高中学业水平考试暨高考选考科目考试说明》，命题双向细目表见表3。

表3 命题双向细目表

（三）命题特色

（1）题设情境的真实性：以当前最热的新能源为背景，数据图表来源于文献资料。

（2）考查知识的全面性：涵盖了化学反应原理模块中最核心的知识，如化学反应的方向、盖斯定律、化学反应速率和平衡移动原理、平衡常数及计算等。

（3）题干设问的科学性：设问与答案是科学的，设问与题干情境高度吻合，如题干中“研究主要集中在提高催化剂活性和降低尾气中CO含量”，和问（2）、问（3）的对应匹配。

（4）信息给予的巧妙性：信息给予的方式是多样的，如文字、图、表等，形式巧妙，隐含的信息也不少，例如题（1）、（2）考查学生对有效信息理解和吸收能力。

（5）问题设置的复杂性：真实的问题往往是复杂的，问（2）、问（3）对学生的综合分析能力要求较高，体现了加试题的选拔功能。

（四）测评情况

宁波市直属高中共有2949人参加了宁波市2018年新高考选考化学适应性考试，总体情况及其中两所学校（一所重点中学、一所普通中学）的相关数据见表4。

表4 试题的测评得分情况

各小题学生答题情况如下。

第（1）小题：此题得分率较高，说明学生对化学反应与热能、化学反应方向、化学平衡常数等内容掌握程度较好，具有一定的获取信息、处理信息的能力。

第（2）小题：总体得分率较低，多数学生知道CO含量会明显减少，但不能与题干信息“研究主要集中在提高催化剂活性和降低尾气中CO含量”相匹配。此外，“甲醇转化率高”这一得分点很少有学生能够踩到。

第（3）小题：总体得分不高，但重点中学平均得分明显高于普通中学，说明区分度尚可。其中题①错误集中在漏选B选项，题②较多学生作图终点计算错误，少数学生未考虑到温度升高“先于260℃曲线达到平衡”。

第（4）小题：重点中学得分率明显高于普通中学，错误原因主要集中在以下两方面：一是得失电子数目判断错误；二是部分学生不会书写甲酸的化学式或错写成甲醇。

四、教学启示

（一）搭建信息—知识连接通道

题（2）要求学生解释“甲醇水蒸气重整制氢较甲醇直接分解制氢（反应Ⅱ）的先进之处”，这类试题要求学生将已学知识和题给信息进行有效整合，解释、评价化工生产过程中的实际问题，浙江选考反应原理加试题通常含有此类试题，称为“说理题”，是学生在问题解决过程中时常遇到的一个难点，障碍在于未能在信息（平衡常数）、知识（平衡转化率）间建立有效的连接通道。多年的教学实践表明，构建“说理题”分析思维模型是搭建信息—知识连接通道的有效途径。从化工生产实际来看，要求是“原理可行、速率较快、转化率高、成本较低、绿色环保”，这也是“说理题”的通常考查维度；与之相关的化学反应原理知识有“化学反应的方向”“化学反应速率”“化学平衡的移动”，这是“说理题”的通常答题角度。当然，在考查维度与答题角度之间，需要结合题给信息进行有效匹配，具体见图4。

图4 反应原理加试题之“说理题”分析思维模型

以浙江省2017年11月反应原理加试题第（3）小题“x1显著低于x2的原因是___”一问为例（题略），对该思维模型进行应用，分析流程见图5。

图5 2017年11月浙江选考化学反应原理加试题之“说理题”分析流程

（二）构建图象表征的思维模型

从表1可以看出，浙江省选考化学反应原理加试题非常注重利用图象表征对反应原理规律的理解，绘制的图象类型有浓度—时间（2015年10月、2016年4月）、平衡转化率—压强（2016年10月）、物质的量—时间（2017年4月）、能量—反应过程（2017年11月）。从此次模拟测试及平时教学情况来看，学生在图象的本真意蕴理解上尚存在问题。有效解决方法是构建图象表征的思维模型（见图6）：教学过程中分析坐标轴、起点、趋势、斜率、转折点、终点等图象外显要素所表示的含义；从化学反应速率、化学平衡理论等内在原理上解释曲线变化的原因；而反应的焓变、分子数变化、物质状态等可逆反应的自身特征则会对图象的内在原理、外显要素产生影响。

图6 反应原理加试题之“图象题”分析思维模型

以浙江省2017年4月选考化学反应原理加试题中画图题为例（题略），对该思维模型进行应用，分析流程见图7所示。

图7 2017年4月浙江省选考化学反应原理加试题之“图象题”分析流程

（三）培养学生化工生产思维

在此次模拟测试题（3）①的解答中较多学生漏选B选项，仅仅从平衡移动提升转化率角度思考问题，殊不知此反应在常压条件下转化率已经非常高了，如果减压则会增加生产成本，对生产设备也有特殊要求，且会降低反应速率。这类问题出现的根本原因在于以单因素思维思考化工生产的实际问题，忽视了生产实际的复杂性。类似的问题出现在2018年4月浙江省选考化学反应原理加试题中：题干以工业上乙酸乙酯制备为背景素材，题（3）要求考生解释“工业上多采用乙酸过量的方法……控制乙酸过量的作用有______________”。这一设问与平时教学是相矛盾的，因为教材乙酸乙酯制备实验中通常控制乙醇过量，使考生难以适从。这类问题解决的关键在于利用制碱法、合成氨、接触法制硫酸、氯碱工业等化工生产实例培养学生的化工生产思维，要求以整合、系统、应变、再循环视角看待生产过程，在教学过程中应着重关注以下几个关键点：（1）原料选择需考虑实际来源、有效成分、预处理成本、运输等因素；（2）生产过程考虑循环利用、节约能源、降低污染等绿色环保的意识；（3）提升生产品质和生产效率的同时，尽可能降低生产成本，具有成本意识[5]。