基于核心素養(yǎng)下的高中化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)與熱力學(xué)問題探究-化學(xué)反應(yīng)速率與平衡問題拆分、探究

基于核心素養(yǎng)下的高中化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)與熱力學(xué)問題探究化學(xué)反應(yīng)速率與平衡問題拆分、探究

浙江孫鵬輝在浙江化學(xué)選考試題中，經(jīng)常會出現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)圖像變化原因分析的題，這是令學(xué)生比較頭疼的問題，那么究竟應(yīng)該如何應(yīng)對，本文著重于探究這類題型，筆者經(jīng)過分析、比對，發(fā)現(xiàn)大部分題目實際上都在探討兩個問題：動力學(xué)、熱力學(xué)問題。一、什么是化學(xué)動力學(xué)、化學(xué)熱力學(xué)化學(xué)動力學(xué)是研究化學(xué)過程進行的速率和反應(yīng)機理的物理化學(xué)分支學(xué)科，是從一種動態(tài)的角度觀察化學(xué)反應(yīng)，研究反應(yīng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變所需要的時間，以及這之中涉及的微觀過程?；瘜W(xué)熱力學(xué)是物理化學(xué)和熱力學(xué)的一個分支學(xué)科，它主要研究物質(zhì)系統(tǒng)在各種條件下的物理和化學(xué)變化中所伴隨著的能量變化，從而對化學(xué)反應(yīng)的方向和進行的程度作出準確的判斷。說通俗一點，化學(xué)動力學(xué)探究的是化學(xué)反應(yīng)速率問題，而化學(xué)熱力學(xué)探究的是化學(xué)反應(yīng)限度即化學(xué)平衡問題。二、化學(xué)反應(yīng)速率與平衡問題拆分、探究1.化學(xué)動力學(xué)下的問題探究【例1】(2017·浙江11月選考·30節(jié)選)十氫萘是具有高儲氫密度的氫能載體，經(jīng)歷“十氫萘(C10H18)→四氫萘(C10H12)→萘(C10H8)”的脫氫過程釋放氫氣。已知：ΔH1>ΔH2>0；C10H18→C10H12的活化能為Ea1，C10H12→C10H8的活化能為Ea2，十氫萘的常壓沸點為192℃；在192℃，液態(tài)十氫萘的脫氫反應(yīng)的平衡轉(zhuǎn)化率約為9%。溫度335℃，在恒容密閉反應(yīng)器中進行高壓液態(tài)十氫萘(1.00mol)催化脫氫實驗，測得C10H12和C10H8的產(chǎn)率x1和x2(以物質(zhì)的量分數(shù)計)隨時間的變化關(guān)系如圖1所示。圖1x1顯著低于x2的原因是____________。【答案】反應(yīng)2的活化能比反應(yīng)1小，相同溫度下反應(yīng)2更快，所以相同時間內(nèi)，生成的四氫萘大部分都轉(zhuǎn)化為萘，故x1顯著低于x2【解析】首先觀察圖像，圖像的橫坐標是時間，縱坐標是產(chǎn)率，x1與x2的高低代表的是相同時間內(nèi)產(chǎn)生C10H12和C10H8的物質(zhì)的量的多少，很顯然這是一個速率問題，而速率與反應(yīng)的活化能大小有關(guān)，所以可以考慮反應(yīng)2的活化能比反應(yīng)1小，相同溫度下反應(yīng)2更快，相同時間內(nèi)，反應(yīng)1生成的四氫萘大部分都轉(zhuǎn)化為反應(yīng)2的萘，故x1顯著低于x2。這道題是從對圖像的解讀入手，基于客觀事實，由反應(yīng)的活化能大小推出化學(xué)反應(yīng)速率快慢，但并沒有外界條件的改變，未涉及影響化學(xué)反應(yīng)速率快慢的因素，這類探討在2020年浙江1月份的選考中有所體現(xiàn)?！纠?】(2020·浙江1月選考·22)在一定溫度下，某反應(yīng)達到了化學(xué)平衡，其反應(yīng)過程對應(yīng)的能量變化如圖2所示。下列說法正確的是()圖2C.所有活化分子的平均能量高于或等于所有分子的平均能量D.溫度升高，逆反應(yīng)速率加快幅度大于正反應(yīng)加快幅度，使平衡逆移【答案】D本題探討的是溫度改變對正、逆反應(yīng)瞬時速率的影響大小問題(如圖3)，吸熱反應(yīng)的速率受溫度影響更大，如果從反應(yīng)活化能的角度進行闡述，可以認為活化能更大的反應(yīng)，其速率受溫度變化影響更大。學(xué)生如果把這個問題理解到位，那么2021年浙江1月選考這道區(qū)分度較大的題就能迎刃而解了。圖3【例3】(2021·浙江1月選考·29節(jié)選)在一定溫度下，以I2為催化劑，氯苯和Cl2在CS2中發(fā)生平行反應(yīng)，分別生成鄰二氯苯和對二氯苯，兩產(chǎn)物濃度之比與反應(yīng)時間無關(guān)。反應(yīng)物起始濃度均為0.5mol·L-1，反應(yīng)30min測得氯苯15%轉(zhuǎn)化為鄰二氯苯，25%轉(zhuǎn)化為對二氯苯。保持其他條件不變，若要提高產(chǎn)物中鄰二氯苯的比例，可采用的措施是________。A.適當提高反應(yīng)溫度B.改變催化劑C.適當降低反應(yīng)溫度D.改變反應(yīng)物濃度【答案】AB【解析】本題討論的是影響產(chǎn)物選擇性的因素問題。A項、C項，溫度影響產(chǎn)物選擇性問題可以是速率問題，也可以是平衡問題。由于題目中出現(xiàn)了Key“30min”且兩產(chǎn)物濃度之比與反應(yīng)時間無關(guān)，故考慮是速率問題。再由題目信息可知，轉(zhuǎn)化為鄰二氯苯的反應(yīng)活化能更大，結(jié)合“活化能更大的反應(yīng)，其速率受溫度變化影響更大”這個結(jié)論，得出A符合題意；B項，可以使用對生成鄰二氯苯有更高選擇性的催化劑，以提高產(chǎn)物中鄰二氯苯的比例，催化劑影響選擇性的問題只能是速率問題，B符合題意；D項，改變反應(yīng)物濃度可以改變化學(xué)反應(yīng)速率，從而改變反應(yīng)達到化學(xué)平衡狀態(tài)的時間，但是產(chǎn)物濃度之比與反應(yīng)時間無關(guān)，因此，改變反應(yīng)物濃度不能提高產(chǎn)物中鄰二氯苯的比例，D不符合題意?；瘜W(xué)動力學(xué)問題即為化學(xué)反應(yīng)速率問題，而影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素有很多，包括濃度、溫度、壓強、催化劑等，教師要依據(jù)證據(jù)推理和分析，建立與結(jié)論的邏輯關(guān)系，依據(jù)結(jié)果，尋找Key(一定時間)，注重歸納總結(jié)，得出更深層次的解題模型。2.化學(xué)熱力學(xué)下的問題探究【例4】(2019·江蘇卷·20節(jié)選)CO2的資源化利用能有效減少CO2排放，充分利用碳資源。CO2催化加氫合成二甲醚是一種CO2轉(zhuǎn)化方法，其過程中主要發(fā)生下列反應(yīng)：在恒壓、CO2和H2的起始量一定的條件下，CO2平衡轉(zhuǎn)化率和平衡時CH3OCH3的選擇性隨溫度的變化如圖4所示。圖4溫度高于300℃，CO2平衡轉(zhuǎn)化率隨溫度升高而上升的原因是_____________?！敬鸢讣敖馕觥繄D像縱坐標是平衡轉(zhuǎn)化率或選擇性，橫坐標是溫度，探討的是平衡量隨溫度的變化影響，所以此題是平衡問題。當溫度高于300℃時，CO2的平衡轉(zhuǎn)化率增大，而CH3OCH3的選擇性降低，即此溫度下主要發(fā)生的是反應(yīng)Ⅰ，因反應(yīng)Ⅰ是吸熱反應(yīng)，當溫度升高CO2轉(zhuǎn)化為CO的平衡轉(zhuǎn)化率上升；而反應(yīng)Ⅱ是放熱反應(yīng)，當溫度升高CO2轉(zhuǎn)化為CH3OCH3的平衡轉(zhuǎn)化率下降，且上升幅度超過下降幅度。【例5】二氧化碳催化加氫合成乙烯在環(huán)境保護、資源利用、戰(zhàn)略需求等方面具有重要意義。CO2和H2在鐵系催化劑作用下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)：在密閉容器中通入1molCO2和3molH2，在鐵系催化劑作用下進行反應(yīng)，CO2的平衡轉(zhuǎn)化率隨溫度和壓強的變化如圖5所示。在圖5中，溫度大于800℃時，隨著壓強的增大，CO2的平衡轉(zhuǎn)化率減小，請解釋原因____________。圖5【答案】溫度高于800℃時，以反應(yīng)Ⅱ為主，壓強增大，平衡不移動。但壓強增大，使反應(yīng)Ⅰ平衡正移，水蒸氣濃度增大，CO2和H2濃度減小，從而導(dǎo)致反應(yīng)Ⅱ平衡逆移，所以CO2的平衡轉(zhuǎn)化率減小?！窘馕觥勘绢}有兩個變量(溫度、壓強)，縱坐標為CO2的平衡轉(zhuǎn)化率，所以應(yīng)該從平衡角度分析，先取其中一條曲線的圖像變化趨勢得出前半段以反應(yīng)Ⅰ為主，后半段以反應(yīng)Ⅱ為主，再討論壓強對反應(yīng)的影響?；瘜W(xué)熱力學(xué)問題，即平衡移動問題，旨在考查學(xué)生“變化觀念與平衡思想”的學(xué)科核心素養(yǎng)，使學(xué)生能多角度、動態(tài)地分析化學(xué)變化，運用化學(xué)反應(yīng)原理解決實際問題。3.化學(xué)動力學(xué)、熱力學(xué)綜合問題探究A.相同條件下，催化劑2比催化劑1的效率高B.在A點時，反應(yīng)一定未達到平衡C.C點時，兩種催化劑下反應(yīng)速率相同，用水蒸氣表示速率為v(H2O)=0.02mol·L-1·min-1D.增大壓強對該反應(yīng)的速率無影響【答案】B本題旨在考查A、B、C三點是不是平衡點的問題。圖像橫坐標為溫度，縱坐標為轉(zhuǎn)化率，題目中出現(xiàn)了關(guān)鍵字眼“10min”，但A、C并不是平衡點，因為催化劑不會影響平衡移動，否則不可能在T3溫度CO轉(zhuǎn)化率達到B點，A到C變化的原因為催化劑活性下降，這屬于動力學(xué)問題；B點可能為平衡點，也可能不是平衡點，因為B點之后的變化依然可能是由于催化劑活性下降或者T3溫度高了，反應(yīng)速率加快，在相同的時間內(nèi)反應(yīng)已經(jīng)平衡，之后升高溫度，平衡逆移，CO轉(zhuǎn)化率下降，所以這可能是動力學(xué)問題，也可能是熱力學(xué)問題?！纠?】(2020·浙江1月選考·29節(jié)選)研究NOx之間的轉(zhuǎn)化具有重要意義。圖7在恒容的密閉容器中充入一定量的NO和O2氣體，保持其他條件不變，控制反應(yīng)溫度分別為T3和T4(T4>T3)，測得c(NO)隨t(時間)的變化曲線如圖8所示。轉(zhuǎn)化相同量的NO，在溫度________(填“T3”或“T4”)下消耗的時間較長，試結(jié)合反應(yīng)過程能量圖(圖7)分析其原因：。圖8【答案】T4ΔH1<0，溫度升高，反應(yīng)Ⅰ平衡逆移，c(N2O2)減??；濃度降低的影響大于溫度對反應(yīng)Ⅱ速率的影響本題旨在討論為什么溫度越高反應(yīng)速率越慢?？此苿恿W(xué)問題，實質(zhì)包含了熱力學(xué)問題。反應(yīng)分兩步進行，決速步為反應(yīng)Ⅱ，影響反應(yīng)Ⅱ的速率有兩個因素：①溫度越高，反應(yīng)速率越快；②溫度越高，反應(yīng)Ⅰ平衡逆移導(dǎo)致c(N2O2)減小，反應(yīng)速率減慢。根據(jù)圖像可知②的影響更大。三、總結(jié)綜上所述，反應(yīng)圖像變化的原因可能是動力學(xué)問題、熱力學(xué)問題，或者兩者的綜合影響問題?；瘜W(xué)動力學(xué)問題即速率問題，考查方式可以是微觀解釋速率變化的原因或通過證據(jù)推理推出速率變化的趨勢，這里可能涉及催化劑、溫度、壓強、濃度等因素。但其中有些