謝葉歸

(長沙市東雅中學(xué))

轉(zhuǎn)化率及平衡轉(zhuǎn)化率一直是高考的熱門考點,試題往往以真實的化工生產(chǎn)為背景,在真實的情境中考查學(xué)生的“理解與辨析、歸納與論證”能力,凸顯化學(xué)學(xué)科的社會價值。教育部曾印發(fā)《關(guān)于做好2022年普通高校招生工作的通知》,進一步深化高?？荚囌猩母??！锻ㄖ芬?穩(wěn)妥推進高考綜合改革,引導(dǎo)減少死記硬背和“機械刷題”現(xiàn)象。筆者對近四年高考試題及2023年浙江省1月真題中有關(guān)化學(xué)反應(yīng)平衡試題的命題特點進行了對比分析,總結(jié)解答此類問題的策略,避免“題海戰(zhàn)術(shù)”,以期對師生的高考復(fù)習(xí)備考有所幫助。

一、近四年高考真題分析

筆者對近四年全國卷及新高考卷(2019～2022)中化學(xué)反應(yīng)原理題進行分析總結(jié),發(fā)現(xiàn)考題特征如下:

(1)此類試題大多以真實的工業(yè)生產(chǎn)作為載體,體現(xiàn)了真實情境下的項目式教學(xué),試題的陌生程度增大,引導(dǎo)考生提升綜合素質(zhì)。

(2)近四年的高考真題中共出現(xiàn)轉(zhuǎn)化率/化學(xué)平衡轉(zhuǎn)化率考點大約29次,近期的2023年浙江省1月份高考試題就出現(xiàn)了3次,轉(zhuǎn)化率/化學(xué)平衡轉(zhuǎn)化率年年考,化學(xué)平衡圖像重點考,變化的是素材,不變的是原理。

(3)試題往往結(jié)合化學(xué)圖像來考查轉(zhuǎn)化率及平衡轉(zhuǎn)化率,試題綜合性較大,對考生處理信息的能力提出了較高的要求。

二、解題策略

(一)區(qū)分好“轉(zhuǎn)化率”與“平衡轉(zhuǎn)化率”

某一物質(zhì)的轉(zhuǎn)化率等于該物質(zhì)在反應(yīng)中已轉(zhuǎn)化的量與該物質(zhì)起始總量的比值;某一反應(yīng)物的平衡轉(zhuǎn)化率α等于該物質(zhì)在反應(yīng)達平衡時已轉(zhuǎn)化的量與該物質(zhì)起始總量的比值。

在實際的工業(yè)生產(chǎn)中,實際轉(zhuǎn)化率并非平衡轉(zhuǎn)化率。工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)該統(tǒng)籌考慮反應(yīng)限度和反應(yīng)速率的問題,以實現(xiàn)限定時間內(nèi)的產(chǎn)量最大。其中,轉(zhuǎn)化率-溫度圖像能真實地反映化工生產(chǎn)過程,在調(diào)控溫度時,往往選擇以催化劑的活性最高時的溫度為最佳溫度,此時化學(xué)反應(yīng)速率最大,可實現(xiàn)一段時間內(nèi)的產(chǎn)量最大化。即轉(zhuǎn)化率可分為非平衡轉(zhuǎn)化率與平衡轉(zhuǎn)化率,非平衡轉(zhuǎn)化率與化學(xué)反應(yīng)速率快慢有關(guān),平衡轉(zhuǎn)化率與化學(xué)反應(yīng)限度有關(guān)。

(二)影響“轉(zhuǎn)化率”與“平衡轉(zhuǎn)化率”的因素

表1 反應(yīng)物不止一種aA(g)+bB(g)cC(g)+dD(g) ΔH<0

表2 反應(yīng)物只有一種aA(g)bB(g)+cC(g) ΔH<0

(三)催化劑活性、溫度對轉(zhuǎn)化率影響的異同

在實際化工生產(chǎn)中,往往采取升溫及加入催化劑的方法來提高化學(xué)反應(yīng)速率,從而提高生產(chǎn)效能。從前面分析可知,催化劑不能使平衡發(fā)生移動,不能改變化學(xué)平衡轉(zhuǎn)化率,但可提高非平衡轉(zhuǎn)化率。對于放熱反應(yīng),轉(zhuǎn)化率-溫度圖像往往呈現(xiàn)為“先升后降”,如何正確突破這類圖像問題成為高考備考中的難點。

表3

回答下列問題:

如圖1為丙烯腈產(chǎn)率與反應(yīng)溫度的關(guān)系曲線,最高產(chǎn)率對應(yīng)溫度為460℃。低于460℃時,有人認為丙烯腈的產(chǎn)率不是對應(yīng)溫度下的平衡產(chǎn)率,其理由是________;高于460℃時,丙烯腈產(chǎn)率降低的可能原因是________(填標(biāo)號)。

圖1

A.催化劑活性降低

B.平衡常數(shù)變大

C.副反應(yīng)增多

D.反應(yīng)的活化能增大

【答案】該反應(yīng)為放熱反應(yīng),平衡產(chǎn)率應(yīng)隨溫度升高而降低;AC

三、真題賞析

【例1】(2019年江蘇卷,15題)(不定項)在恒壓、NO和O2的起始濃度一定的條件下,催化反應(yīng)相同時間,測得不同溫度下NO轉(zhuǎn)化為NO2的轉(zhuǎn)化率如圖2中實線所示(圖中虛線表示相同條件下NO的平衡轉(zhuǎn)化率隨溫度的變化)。下列說法正確的是

( )

圖2

圖3

B.圖中X點所示條件下,延長反應(yīng)時間能提高NO轉(zhuǎn)化率

C.圖中Y點所示條件下,增加O2的濃度不能提高NO轉(zhuǎn)化率

D.380℃下,c起始(O2)=5.0×10-4mol·L-1,NO平衡轉(zhuǎn)化率為50%,則平衡常數(shù)K>2 000

【答案】BD

【試題巧解】實線表示催化反應(yīng)相同時間,不同溫度下NO轉(zhuǎn)化為NO2的轉(zhuǎn)化率,虛線表示相同條件下NO的平衡轉(zhuǎn)化率隨溫度的變化,由解題策略(二)可知,延長反應(yīng)時間可提高NO轉(zhuǎn)化率,B正確。

【例2】(2022年山東卷,10題)在NO催化下,丙烷與氧氣反應(yīng)制備丙烯的部分反應(yīng)機理如圖所示。下列說法錯誤的是

( )

A.含N分子參與的反應(yīng)一定有電子轉(zhuǎn)移

B.由NO生成HONO的反應(yīng)歷程有2種

C.增大NO的量,C3H8的平衡轉(zhuǎn)化率不變

D.當(dāng)主要發(fā)生包含②的歷程時,最終生成的水減少

【答案】D

【試題巧解】NO是該反應(yīng)的催化劑,催化劑不改變化學(xué)平衡轉(zhuǎn)化率,C正確。

【例3】(2023年1月浙江卷,19題節(jié)選)“碳達峰·碳中和”是我國社會發(fā)展重大戰(zhàn)略之一,CH4還原CO2是實現(xiàn)“雙碳”經(jīng)濟的有效途徑之一,相關(guān)的主要反應(yīng)有:

ΔH1=+247 kJ·mol-1,K1

(1)有利于提高CO2平衡轉(zhuǎn)化率的條件是________。

A.低溫低壓 B.低溫高壓

C.高溫低壓 D.高溫高壓

①常壓下CH4和CO2按物質(zhì)的量之比1∶3投料,某一時段內(nèi)CH4和CO2的轉(zhuǎn)化率隨溫度變化如圖4,請在圖5中畫出400～1 000℃之間R的變化趨勢并標(biāo)明1 000℃時R值。

圖4

圖5

②催化劑X可提高R值,另一時段內(nèi)CH4轉(zhuǎn)化率、R值隨溫度變化如表4所示:

表4

下列說法不正確的是________。

A.R值提高是由于催化劑X選擇性地提高反應(yīng)Ⅱ的速率

B.溫度越低,含氫產(chǎn)物中H2O占比越高

C.溫度升高,CH4轉(zhuǎn)化率增加,CO2轉(zhuǎn)化率降低,R值減小

D.改變催化劑提高CH4轉(zhuǎn)化率,R值不一定增大

【答案】(1)C

四、原創(chuàng)試題賞析

【例4】將CO、O2、H2、N2混合氣體在銅-鈰氧化物(xCuO·yCeO2,Ce是活潑金屬)催化氧化下可除去H2中少量CO,其可能機理如圖6所示,CO的轉(zhuǎn)化率隨溫度變化的曲線如圖7所示。已知Ce基態(tài)原子核外電子排布式為[Xe]4f15d16s2,下列說法錯誤的是

( )

圖6

圖7

A.反應(yīng)ⅰ中,Cu元素的化合價從+2變成+1,Ce元素的化合價從+4變成+3

B.圖中a點所示條件下,延長反應(yīng)時間能提高CO轉(zhuǎn)化率

C.選擇合適的催化劑可減小反應(yīng)體系中氫氣的損耗

D.140℃時曲線上的點為平衡點,繼續(xù)升溫平衡逆向移動導(dǎo)致CO轉(zhuǎn)化率降低

【答案】D

五、總結(jié)

從近幾年的高考真題可以看出,轉(zhuǎn)化率與平衡轉(zhuǎn)化率已成為落實“變化觀念與平衡思想”學(xué)科核心素養(yǎng)的重要載體。試題主要以文字敘述及化學(xué)平衡圖像的形式呈現(xiàn),能力考查突出,情境設(shè)置新穎,試題呈現(xiàn)靈活。落腳點往往是考查讀取圖表信息的能力以及利用題目給予的新信息解決問題的能力。充分體現(xiàn)了高考試題的基礎(chǔ)性和創(chuàng)新性,符合高考評價體系的要求。

此外,通過研究高考真題不難發(fā)現(xiàn),轉(zhuǎn)化率及平衡轉(zhuǎn)化率的考查始終穩(wěn)中求新、穩(wěn)中求變,變化的是題材,不變的是基本考點,在復(fù)習(xí)備考中,做到深研真題、發(fā)掘規(guī)律、精準(zhǔn)備考,定能事半功倍。