建立解题模板，突破化学平衡图像难点问题

陕西 王志刚

在近年高三化学复习备考中，依据平衡图像进行的判断与计算，是众多高三学生望而生畏的一类考题。学生遇到此类问题时，要么不得要领，失分率极高，要么直接放弃。此类问题已俨然成为高三化学复习备考道路上的“拦路虎”，迫切需要突破与解决。笔者在教学实践中发现，对于此类问题，应仔细琢磨，精心研究，找到问题突破口，以点带面，逐步突破。

一、精心研究，找准考题难点

【例1】(2022·九师联盟质量检测理综·28题节选)我国科学家合成高选择性光催化剂，在温和条件下利用CO2合成CH3CHO

ΔH1=-170 kJ·mol-1

回答下列问题。

该反应的平衡常数K与k正、k逆的关系是________。k正、k逆的负对数用pk表示，与温度(T)关系如图1所示。其中代表pk正与T关系的直线是________(填标号)，判断理由是

。

图1

(4)一定温度下，在刚性密闭容器中充入1 mol CO2和xmol H2，仅发生反应1，测得平衡体系中CH3CHO的体积分数(φ)与x关系如图2所示。在e、f、g、h4点中，CO2转化率最高的点是________(填字母)，f点对应体系中H、O原子个数比接近________。

图2

(5)一定温度下，在刚性密闭容器中充入2 mol CO2和5 mol H2，发生反应1和2，达到平衡时CH3CHO的选择性为80%，CO2的平衡转化率为45%，总压强为560 kPa。反应1的平衡常数Kp=________(只列计算式，不带单位)。

Kp为分压计算的平衡常数，分压=总压×物质的量分数。

【参考答案及解析】本题给定了一对竞争反应，考查学生的数学分析能力和计算能力。解题时需要结合图像，系统分析，详细计算。

(4)随着H2投料量的增加，另一种反应物CO2的转化率增大，CO2转化率最高的点是h。f点的平衡体系中CH3CHO的体积分数最大，则投料比为反应1的系数比[n(CO2)∶n(H2)=2∶5]，故该点H、O原子个数比接近5∶2。

(5)中，需要对2个竞争反应进行系统研究，方法如下：

反应1中

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

反应2中

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

平衡时，刚性容器中平衡总压为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

物质分压： 110 kPa 260 kPa 40 kPa 140 kPa 10 kPa

通过考题剖析可以发现，本题主要考查以下几点：

(1)平衡图像中特殊点的含义；

(2)结合平衡图像或方程式解释问题；

(3)连续或竞争反应中平衡常数(K)的计算。

这些问题是解题的难点也是考查的热点，教师在备课及上课时需要引导学生深入研究、用心思考、细心计算，然后建立解题模板，帮助学生掌握解题方法。

二、针对难点，建立解题模板

【例2】(2022·西安市长安区高三第2次质量检测理综·28节选)一碘甲烷(CH3I)热裂解可制取乙烯等低碳烯烃。

(1)一碘甲烷(CH3I)热裂解时主要反应有

图3

①当体系温度高于600 K时，乙烯的物质的量分数随温度升高而显著增加的可能原因是

；

②若维持体系温度为715 K，CH3I(g)的平衡转化率为________，反应Ⅰ以物质的量分数表示的平衡常数Kx=________。

【参考答案及解析】要准确解答①的问题，首先要明确C2H4的来源有三处，即反应Ⅰ正向移动生成C2H4，反应Ⅱ、Ⅲ逆向移动生成C2H4。ΔH1>0(吸热)，ΔH2<0(放热)，ΔH3<0(放热)，T>600 K时，反应Ⅰ正向移动生成C2H4，反应Ⅱ、Ⅲ逆向移动生成C2H4，故C2H4物质的量分数随温度的升高而显著增加；

要做好②的平衡计算问题，准确分析图像中“特殊点”(一般为“最高点”“最低点”“交点”“始点”“终点”“转折点”等)是有效的解题手段，“三段式”计算是方法，按步骤计算是操作。

CH3I C2H4HI C3H6C4H8

开始 100% 0 0 0 0

变化 4% 64% 8% 8%

平衡 16% 4% 64% 8% 8%

CH3I(g)平衡转化率(通过碳原子守恒，均折算成CH3I进行计算)：

通过研究可以发现，解决此题的难点为以下几点：

难点1 平衡图像中，特殊点的寻找

(1)难点在于复杂图像，尤其是复合图像中，学生不能准确找出图中的关键点；

(2)突破办法：观察图像，用心研究“最高点”“最低点”“交点”“始点”“终点”“转折点”等特殊点的含义。

如本题中，715 K时，C2H4物质的量分数为4%，C3H6、C4H8物质的量分数曲线相交(8%)点就是解题的特殊点。在分析平衡图像时，需要对这些特殊点进行重点研究。

难点2 结合平衡图像，阐述原因

(1)难点在于学生答题时不得要领，不能抓住问题的核心与关键；

(2)突破办法：细心分析图像信息，研究反应特征，按点作答。

如本题中，“当体系温度高于600 K时，乙烯的物质的量分数随温度升高而显著增加的原因”问题。分析题目时，图像展现的是乙烯物质的量分数随温度变化的直观结果，乙烯生成或消耗的反应特征是答题的切入点，按照温度升高，反应Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的平衡移动方向作答，可以轻松突破难点。

难点3 连续或竞争反应中，平衡常数的计算

(1)难点在于连续或竞争反应中，反应相互干扰，学生计算时不得要领；

(2)突破办法：活用“三段式”法，列出所有反应物与生成物，逐一计算。

如在本题中，“以物质的量分数表示平衡常数Kx”问题。解题时运用“三段式”法，列出反应涉及的5种物质CH3I、C2H4、HI、C3H6、C4H8，逐一计算出各物质平衡时的含量。解题时分解难点、逐一求解，即可顺利算出结果。

三、运用模板，做好高考真题

【例3】(2022·全国乙卷·28节选)油气开采、石油化工、煤化工等行业废气普遍含有的硫化氢，需要回收处理并加以利用，回答下列问题：

(4)在1 373 K、100 kPa反应条件下，对于n(H2S)∶n(Ar)分别为4∶1、1∶1、1∶4、1∶9、1∶19的H2S-Ar混合气，热分解过程中H2S转化率随时间的变化如图4所示。

图4

①n(H2S)∶n(Ar)越小，H2S平衡转化率________，理由是

；

②n(H2S)∶n(Ar)=1∶9对应图中曲线________，计算其在0～0.1 s之间，H2S分压的平均变化率为________kPa·s-1。

【参考答案及解析】由H2S热分解反应方程可以推知，n(H2S)∶n(Ar)越小，H2S的转化率越高。理由是若H2S含量越小，H2S的分压就越小，则化学平衡就会向气体体积增大(正向)方向移动，因而H2S平衡转化率就越高；

由于n(H2S)∶n(Ar)越小，H2S的转化率越高，则曲线a、b、c、d、e分别对应的是4∶1、1∶1、1∶4、1∶9、1∶19时的曲线，故n(H2S)∶n(Ar)=1∶9对应的曲线为d曲线。

最后一步计算是本题的难点与精华部分。计算之前，需要明确两个问题：一是H2S热分解是在恒压装置中进行的；二是“H2S分压的平均变化率”就相当于是H2S的平均反应速率。剩下的步骤则是找准“特殊点”，按照“三段式”法进行详细计算。

取10 mol混合气体，

因为n(H2S)∶n(Ar)=1∶9，

所以n(H2S)=1 mol。

由图4可知，当反应到0.1 s时，a(H2S)=24%。

开始 1 mol 0 0

变化 0.24 mol 0.24 mol 0.12 mol

0.1 s 0.76 mol 0.24 mol 0.12 mol

反应到0.1 s时，n(总)=10.12 mol

通过巩固练习还发现，答题时应注意以下几点：

(1)平衡图像中，特殊点的寻找也是处于变化之中的。如本题中，通过C2H4、C3H6、C4H8选择性最高点的对应温度，回答“短链烯烃(n≤4)生成的温度范围”问题，需要灵活找点。

(2)平衡简答题，分点回答最科学。如在阅卷中，针对简答题的描述，教师就是找出得分点，按点得分。按点答题，实则也是考生思维严谨性的体现。

(3)平衡常数计算，“三段式”法的确是一个好的解题方法。如在考试中，面对较大量的考题时，学生运用“三段式法”，可以快速理清数据关系，求出结果，能起到稳定学生考试情绪的作用。