高中化学“U(V)型”图像题的研究分析

徐凯飞 苗怀仪

(吉林省长春市实验中学)

新高考下,化学试题对批判性思维的考查逐渐普及,尤其是一些结构不良问题的分析与探索。此类试题涵盖面较为广泛,答案也往往比较开放,很多学生反馈这类试题很难,笔者针对特定模型的“U(V)型”图或“倒U(V)型”图类试题进行了汇总分析。

一、化学反应速率与化学平衡

(一)实时转化率的图像变化

不同温度下,“反应物以一定流速通过催化剂”或“反应经相同时间”,反应物A的转化率随温度的变化关系一定温度下,反应混合气体以一定流速通过催化剂,反应物A的转化率与另一反应物气体X的浓度变化关系一定温度下,气体反应物以不同的流速经过反应催化装置,反应物A的转化率与气体流速的关系T1之前,为非平衡态,转化率随速率的增大而增大,速率增大的原因可能为:①温度升高,速率增大;②温度升高,催化剂活性增强。T1之后,转化率下降,其原因可能为:①T1之后仍为非平衡态:催化剂活性降低导致速率降低幅度超过由于温度升高使速率增大的幅度;②T1之后为平衡态,该反应为放热反应,升温导致反应平衡逆向移动;③副反应(竞争反应)程度增大气体X为另外一种反应气体,随气体X的浓度的递增,A的转化率逐渐上升,当气体X浓度过高时,A转化率下降的原因可能为气体X浓度过大导致气体A与催化剂接触面积减小;或气体X与某产物发生副反应气体流速过小,则生成物不能及时从催化剂表面脱附,占据活性位点,减少了反应物与催化剂的活性位点的接触,反应速率降低。气体流速过大,则会导致反应物不能充分地与催化剂接触,反应不充分,以至于转化率降低

非平衡点的转化率大小取决于化学反应速率,而速率的主要影响因素为温度、催化剂、浓度、压强和接触面积等,其中催化剂是高频考点,而催化剂的催化效率与温度、接触面积等因素有关。所以温度的改变可能会造成“过犹不及”的结果,则解决此类试题的思路如图1:

图1

【例1】(2019年江苏卷,15题节选)在恒压、NO和O2的起始浓度一定的条件下,催化反应相同时间。测得不同温度下NO转化为NO2的转化率如图中实线所示(图2中虚线表示相同条件下NO的平衡转化率随温度的变化)。下列说法正确的是

( )

图2

B.图中X点所示条件下,延长反应时间能提高NO的转化率

C.图中Y点所示条件下,增加O2的浓度不能提高NO的转化率

【分析】

图中虚线代表平衡转化率,实线代表实时转化率,两线合并时说明当前处于平衡状态,根据平衡态时升温导致转化率降低,说明平衡逆向移动,可以判断该反应为放热反应;Y点根据勒夏特列原理,增大氧气浓度,平衡正移,可以提高NO转化率。X点为非平衡态,若延长时间可以达到平衡。

(二)平衡转化率/产率/百分含量的图像变化

双平衡体系中,物质A在两组反应方程式中均有参与,改变影响平衡的某一因素(温度或压强),平衡发生移动,物质A的转化率变化图像一定温度下,按不同投料比加入反应物,平衡后所得生成物的体积分数与投料比的关系图根据勒夏特列原理,改变某一因素后,平衡会发生移动,但两组反应移动后,对α(A)的影响结果是相反的。一组移动后α(A)增加,而另一组减少。此时我们要结合图像进行平衡移动程度大小的判断当反应物的投料比等于化学反应方程式的系数比时,生成物的体积分数最大

【例2】(2018年全国Ⅱ卷,27题节选)反应中催化剂活性会因积碳反应而降低,同时存在的消碳反应则使积碳量减少。相关数据如表:

积碳反应CH4(g)C(s)+2H2(g)消碳反应CO2(g)+C(s)2CO(g)ΔH/kJ·mol-175172活化能(kJ·mol-1)催化剂X3391催化剂Y4372

在反应进料气组成、压强及反应时间相同的情况下,某催化剂表面的积碳量随温度的变化关系如图3所示。升高温度时,下列关于积碳反应、消碳反应的平衡常数(K)和速率(v)的叙述正确的是________(填标号)。

图3

A.K积、K消均增加

B.v积减小、v消增加

C.K积减小、K消增加

D.v消增加的倍数比v积增加的倍数大

【分析】图像中的积碳量先增加后减小也体现出了温度变化对平衡移动的影响,升温积碳反应和消碳反应平衡均正移,碳的量的变化相反,600℃之前积碳速率大于消碳速率,600℃之后消碳速率大于积碳速率,说明升温消碳反应速率变化倍数更大。

(三)化学反应速率的图像变化

多因素控制v(速率)T(温度)图像v(速率)t(时间)图像T1之前,反应速率随温度升高而增大;T1之后,反应速率随温度上升而下降。原因可能为:①有酶参与的反应,温度高酶会失去活性;②有催化剂参与的反应,升高温度,催化剂活性降低;③有气体参与的液相反应,升高温度,气体的溶解度减小;④加热时易分解的物质(H2O2、NH3·H2O等)分解;⑤加热时易挥发的物质(浓硝酸、浓盐酸)大量挥发;⑥加热时易水解的物质转化为胶体或沉淀综合题干信息,进行各因素影响程度大小的判断:升高温度,可以提高速率常数,从而提高化学反应速率;但在某些题中,存在一些反常规的信息,“升温也可能使速率降低”,速率先升高后降低的现象用各因素对速率的影响程度大小来分析Ⅰ.自催化反应例如H2SO4酸化的高锰酸钾与草酸反应,生成了MnSO4,生成物也可以作为催化剂,提高反应速率。所以t1之前,速率逐渐变大。t1之后,浓度对反应速率的影响成为主要因素,反应物浓度降低,导致反应速率减慢。Ⅱ.放热反应t1之前,反应放热,温度升高使速率逐渐变大。t1之后由于浓度降低导致速率降低的影响更大

图4

【答案】升高温度,k增大使v逐渐提高,但α降低使v逐渐下降。当ttm后,k增大对v的提高小于α引起的降低。

【分析】结构不良问题的思辨能力的考查。基于速率方程的表达式分析,寻找证据,建立联系,找出因果关系,得出相关结论。学生所掌握的规律是温度升高,速率变大,但图像的结果是tm后再升温速率减小,学生产生认知冲突,而问题的关键就是解决这个认知冲突。

二、电解质溶液

(一)电导率图像

溶液的导电能力取决于电荷浓度,即离子浓度和离子所带电荷数。在电解质溶液中,由于元素是守恒的,所以离子所带电荷数不会改变,分析时从离子数目和溶液体积变化着手。

弱电解质溶解稀释图像离子反应最高点之前:未达电离平衡状态,弱电解质分子的电离速率大于离子的结合速率,导致水中的离子浓度增大,电导率增强;最高点之后:达到电离平衡状态,继续加水,电离平衡虽然正移,但离子浓度降低,电导率下降“弱”+“弱”→“强”最高点之前:溶液为弱电解质溶液,微弱电离,离子浓度小,加入另一弱电解质反应生成强电解质,完全电离,离子浓度变大,电导率上升;最高点为恰好反应点;最高点之后:弱电解质溶液过量,离子浓度再下降,电导率变小“强”+“强”→“弱”+“沉”最低点之前:溶液为强电解质,完全电离,离子浓度大,加入另一种强电解质生成沉淀及弱电解质,离子浓度变小,电导率下降;最低点为恰好反应点;最低点之后:强电解质过量,离子浓度再提升,电导率增大

【例4】一定温度下,将一定质量的冰醋酸加水稀释过程中,溶液的导电能力变化如图5所示,下列说法正确的是

( )

图5

A.a、b、c三点溶液的pH:c

B.a、b、c三点CH3COOH的电离程度:a

C.用湿润的pH试纸测量a处溶液的pH,测量结果偏大

【分析】b点之前向冰醋酸中加水,醋酸不断溶解、电离,直至达到平衡点b,此时离子浓度最大,即H+、CH3COO-浓度达到最大值,pH最小。b点之后,不断加水稀释,电离程度逐渐变大,但离子浓度逐渐减小。

(二)离子浓度图像

中和滴定过程中,水的电离程度与所加溶液体积的关系必备知识—水的电离的影响因素抑制:降温、酸、碱、强酸的酸式盐、电离程度大于水解程度的弱酸酸式盐;促进:升温、能水解的正盐、水解程度大于电离程度的弱酸酸式盐、能与水反应的物质(Na、NaH、Mg3N2等)常温下,纯水中c水(H+)=c水(OH-)=1×10-7 mol/L,a点之前c水(H+)<1×10-7 mol/L说明溶质为抑制水的电离的酸或碱或电离大于水解的酸式盐,以NaOH溶液滴定醋酸为例,醋酸对水的电离起抑制作用;外加NaOH中和之后生成醋酸钠,醋酸对水的电离的抑制作用逐渐减弱,醋酸钠对水的电离的促进作用逐渐增强;到达第一个c水(H+)=1×10-7 mol/L点时,两项作用刚好抵消,此时恰好为中性点;达到b点时,酸碱恰好完全中和,此时只有醋酸钠的促进作用,水的电离程度最大,此时溶液呈碱性,溶液中的OH-全部来源于水;之后再加入NaOH,碱电离出的OH-抑制水的电离,c水(H+)又逐渐减少,c点溶液呈碱性,且碱性比b点强

【例5】常温下,向20.00 mL 0.1 mol·L-1HA溶液中滴入0.1 mol·L-1NaOH溶液,溶液中由水电离出的氢离子浓度的负对数[-lgc水(H+)]与所加NaOH溶液体积的关系如图6所示,下列说法中不正确的是

( )

图6

B.M、P两点溶液对应的pH=7

【分析】N点水的电离程度最大,所以是恰好完全反应生成NaA,此时呈碱性,再加NaOH才能达到P点,故P点不是中性点,M点为中性点。要求学生能够根据本图像进行思维转换,建立与pH变化图像的联系。

三、连续型反应

一定温度下,向溶液B中通入气体A或加入物质A,体系中物质C的量的变化HNO3→Fe(NO3)3→Fe(NO3)2Ca(OH)2→CaCO3→Ca(HCO3)2H2SO3→H2SO4→HClO

有关连续反应的例子不胜枚举,体现了由量变到质变的化学反应特点。高考中侧重对新情境问题的考查,需要学生们结合图像变化和物质的性质,找出合理证据,分析作答。

【例6】(2023年湖北模拟节选)工业生产中,氧化剂的实际使用量和理论计算量之间的比值称为配氧率。如图7是配氧率对碘单质回收率的影响曲线图。试解释配氧率选择112～113之间的原因。

图7

【答案】配氧率过低,I-不能完全转化为碘单质;配氧率过高,可能发生副反应,使碘单质进一步被氧化为碘酸根,或耗费大量氧化剂。

四、其他

热化学能量变化图像学生能够识别图像,知道图像中各符号的意义,并能够应用计算。提示学生注意区分“活化能”与“总键能” “键能”与“能量”以及各物理量与反应热的定量关系,强化学生对概念的理解与应用电化学混合型电解质分阶段电解学生要明确放电顺序及离子含量,确定各阶段的电解类型(电解电解质、放氧生酸、放氢生碱、电解水)、具体的电极反应方程式、电子转移定量关系的同时也要结合盐类的水解等知识综合分析综合情景问题图像此类试题要从题干中获取有效信息,将横纵坐标通过化学反应规律建立联系,结合关键信息,找出变量的“双刃剑”式影响

【例7】(2023年1月浙江卷,13题节选)甲酸(HCOOH)是重要的化工原料。工业废水中的甲酸及其盐,通过离子交换树脂(含固体活性成分R3N,R为烷基)因静电作用被吸附回收,其回收率(被吸附在树脂上甲酸根的物质的量分数)与废水初始pH关系如图8(已知甲酸Ka=1.8×10-4),下列说法不正确的是

( )

图8

C.废水初始pH<2.4,随pH下降,甲酸的电离被抑制,与R3NH+作用的HCOO-数目减少

D.废水初始pH>5,离子交换树脂活性成分主要以R3NH+形态存在

【分析】有效信息:因静电作用被吸附回收,回收率(被吸附在树脂上甲酸根的物质的量分数)。

命题方向:本题利用新情境,创新性地考查了弱酸弱碱的电离平衡及其影响因素的分析,学生要做到提取有效信息,灵活运用必备知识,对图像的变化进行辨析。

综上,此类试题通常具有如下特点:

考查方式关键能力学科核心素养思维方法哲学思想解释阐述,对学生“知其所以然”的考查图表类信息的获取与加工;逻辑推理与论证;批判性思维与辨证能力证据推理与模型认知;变化观念与平衡思想逻辑思维;批判性思维物质变化规律:①量变到质变;②矛盾的对立统一规律

从新高考的考查方向和考查方式上看,高考试题更加关注学生对信息的整合、对原因的分析和对结论的评价。新高考U型或倒U型试题的设问通常为主观的文字描述,难度较大。因此在高三复习过程中,我们应致力于培养学生“证据推理与模型认知”的学科核心素养和推理论证能力,注重知识的逻辑关系,注重思维的逻辑性,让学生真正做到“知其然,知其所以然”。