运用科学思维 解决化学疑难问题-《中学生数理化》高考理化2025年6月刊

■湖南省长沙县实验中学 黄景华 《普通高中化学课程标准》(2017年版 2020年修订)在“实施建议”中指出:“‘宏观 辨识与微观探析’‘变化观念与平衡思想’‘证 据推理与模型认知’三大核心素养,分别是从 学科观念和思维方式视角对化学科学思维的 描述。”在学习中,同学们需要具有批判的意 识和主观能动性,学会评估他人以及自己的 思维品质,逐步发展高阶思维能力以及对科 学本质的认识。 在练习中,同学们遇到区分度大的试题 时,一方面,要认真赏析命题人思维和解答的 过程;另一方面,要思考造成区分度如此之大 背后的深层次原因,思考命题人的思维方式 是否最科学,如何实质性地优化思维,使思维 更科学、更简洁、更有效。 一、科学思维,巧用分步反应击破关键问题 例 1 将 CO2 转 化 为 碳 基 燃 料,可 有效减少碳排放。CO2 和 H2 在催化剂作 用下,可实现二氧化碳甲烷化。可能发生 反应: ⅰ.CO2(g)+4H2(g)􀜩􀜨􀜑 CH4(g)+ 2H2O(g) ΔH1 ⅱ.CO2 (g)+ H2 (g)􀜩􀜨􀜑 CO(g)+ H2O(g) ΔH2=+41.2 kJ·mol-1 ⅲ.CO(g)+3H2(g)􀜩􀜨􀜑 H2O(g)+ CH4(g) ΔH3=-206.1 kJ·mol-1 (1)利用不同催化剂,在一定温度和相同 反应时间内,测得产物的生成速率与催化剂 的关系如图1所示,有利于制甲烷的催化剂 是 。 图1 (2)不同条件下,按照n(CO2)∶n(H2)= 1∶4投料,发生上述反应,升高温度,反应ⅰ 的化学平衡常数 (填“增大”或“减小”)。 (3)①在某温度下,向恒容密闭容器中充 入7 mol CO2 和12 mol H2,初 始 压 强 为 19 kPa,反应经10 min达到平衡,此时气体 的总物质的量为17 mol,p(CO)=3 kPa,则 v(CH4)= kPa·min-1,该温度下反应 ⅱ的化学平衡常数K= 。 ②若保持温度不变,压缩容器的体积, CH4 的物质的量 (填“增大”“减小”或“不 变”),反应ⅰ的平衡将 (填“正向”“逆向” 或“不”)移动。 命题人提供的答案和解析如下: 答案:(1)Pt@h-BN3 (2)减小 (3)①0.1 1 ②增大 正向 解析:(1)由题可知,其合成目标产物是 CH4,则CH4 生成速率越大,副产物CO生成 速率越小的催化剂越好,根据图1可判断 Pt@h-BN3较适宜。 (2)根 据 盖 斯 定 律 ⅰ = ⅱ + ⅲ,得 CO2(g)+4H2(g)􀜩􀜨􀜑 CH4(g)+2H2O(g) 3 知识篇 科学备考与策略 高考理化 2025年6月 ΔH1=+41.2 kJ·mol-1-206.1 kJ·mol-1= -164.9 kJ·mol-1,反应ⅰ正反应放热,升 高温度,化学平衡常数减小。 (3)①恒温恒容时,压强之比等于物质的 量 之 比,则 平 衡 时 气 体 总 压 强 为 19 kPa×17 mol (7+12)mol =17 kPa,从而推出n(CO)= 3 mol,设 10 min 内,反 应 ⅰ 中 消 耗 的 n(CO2)为x mol,反应ⅱ中消耗的n(CO2) 为y mol,反应ⅲ中消耗的n(CO)为z mol, 列三段式如下: 反应 ⅰ CO2(g)+4H2(g)􀜩􀜨􀜑 CH4(g)+2H2O(g) Δn 1 4 1 2 2 开始/mol 7 12 0 0 变化/mol x 4x x 2x 2x 反应 ⅱ CO2(g)+H2(g)􀜩􀜨􀜑 CO(g)+H2O(g) 开始/mol 7 12 0 0 变化/mol y y y y 反应 ⅲ CO(g)+3H2(g)􀜩􀜨􀜑 H2O(g)+CH4(g) Δn 1 3 1 1 2 开始/mol y 12 0 0 变化/mol z 3z z z 2z 因气体总量减少2 mol,则2x+2z=2, 即x+z=1,甲烷的平衡量为(x+z) mol= 1 mol;由碳元素守恒,剩余的CO2 的物质的 量为(7-1-3) mol=3 mol,则有7-x-y=3, 即x+y=4;n(H2O)=(2x+y+z) mol= [(x+y)+(x+z)] mol=(4+1) mol= 5 mol;n(H2)=[12-(4x+y+3z)] mol= [12-3(x+z)-(x+y)] mol=(12-3× 1-4) mol=5 mol。 所以v(CH4)= 1 kPa 10 min=0.1 kPa·min-1, 平衡时容器中n(CO)=3 mol,n(H2)= 5 mol,n(CO2)=3 mol,n(H2O)=5 mol,设 容器的容积为V L,则该温度下反应ⅱ的化 学平衡常数K= 3 V× 5 V 3 V× 5 V =1。 ②若保持温度不变,压缩容器的体积,反 应ⅰ、ⅲ均正向移动,CH4 的物质的量增大。 赏析与点评:命题人所写的解析,思维全 面、有序,条理清楚,逻辑清晰,能够科学地推 导出合乎要求的答案。考生考试失分最多的 是第(3)①小题的化学计算,其次是第(2)小 题中对盖斯定律和勒夏特列原理的应用。 纵观第(3)①小题的解析过程,其思维具 有四个特点:第一,解析占了大量的版面,即 使考生能够想到这样去解,也会耗费大量的 时间,非常不经济,多数考生会望而止步。第 二,这对考生的数学运算能力要求较高,需要 灵活地将“x+z=1”和“x+y=4”两个代数 式运用到其他几种气体的物质的量的求算过 程。第三,造成前面这两大特点的主要原因 正是其优点之一———思维过于全面、有序! 变量太多,思维容量太大,运算过程肯定复 杂。第四,造成前面这三大特点的最根本原 因又是什么呢? 是命题人外显出来的思维欠 科学,解答第(3)①小题时缺乏“系统思维”, 没有根据第(2)小题的填空紧密地建立起“总 反应与分步反应的关联”。其实第(2)小题的 填空,是对第(3)①小题的化学计算进行解法 指导的。 科学思维:根据“第(2)小题的填空”知 道,体系中反应ⅰ是总反应,其分步反应是反 应ⅱ和反应ⅲ。深度思考:总反应与分步反 应之间存在什么关联? 模型建构:分步反应 (反应ⅱ和反应ⅲ)是体系的微观表现,能够 揭示体系中化学反应的本质;总反应(反应ⅰ) 是分步反应综合作用的必然结果。 如此建构颇有价值的思维模型后,区分 度很大的第(3)①小题的化学计算便可轻而 易举地拿下,科学思维过程描述如下: 摒弃总反应(反应ⅰ),用分步反应(反 应ⅱ和反应ⅲ)进行计算。 注意到,反应ⅱ是气体化学计量数前、后 不变的反应,那么反应ⅱ达到化学平衡状态 时,并不会改变体系中气体分子的总物质的 量。根据: 反应 ⅲ CO(g)+3H2(g)􀜩􀜨􀜑 H2O(g)+CH4(g) Δn 1 3 1 1 2 变化 n消耗(CO) n消耗(H2)n生成(H2O)n生成(CH4) Δn=(7+12)mol-17 mol=2 mol。 容易求出,n消耗(CO)=1 mol,n消耗(H2)= 4 知识篇 科学备考与策略 高考理化 2025年6月 3 mol,n生成 (H2O)=1 mol,n生成 (CH4)= 1 mol。 根据理想气体状态方程pV=nRT,恒温 恒容时,p∝n。从而,平衡时气体总压强为 19 kPa×17 mol (7+12)mol =17 kPa,即每1 mol气体 的分压就为1 kPa。从而,v(CH4)= 1 kPa 10 min= 0.1 kPa·min-1。 又平衡时CO为3 mol,故反应ⅱ须生成 (3+1) mol=4 mol CO,从而根据反应ⅱ的方程 式CO2(g)+H2(g)􀜩􀜨􀜑 CO(g)+H2O(g),容易 求出,n'消耗(CO2)=4 mol,n'消耗(H2)=4 mol, n'生成(H2O)=4 mol。 因 此,体 系 达 到 化 学 平 衡 状 态 时, n平衡(CO2)=(7-4) mol=3 mol,n平衡(H2)= [12-(3+4)] mol=5 mol,n平衡 (CO)= 3 mol,n平衡(H2O)=(1+4) mol=5 mol。设 容器的容积为V L,则该温度下反应ⅱ的化 学平衡常数K= 3 V× 5 V 3 V× 5 V =1。 反思与评价:透彻分析了总反应与分步 反应之间的关联,提炼出其中的本质,建构思 维模型,大道至简,快速、精准地解决了这一 疑难问题,可有效助推考生思维更上一个 台阶。 二、科学思维,妙借总反应拨开迷雾 例 2 在一定温度下,向体积固定的密闭 容器中加入足量的C(s)和1 mol H2O(g),起始 压强为0.2 MPa时,发生下列反应生成水 煤气: Ⅰ.C(s)+H2O(g)􀜩􀜨􀜑 CO(g)+H2(g) ΔH1=+131.4 kJ·mol-1 Ⅱ.CO(g)+H2O(g)􀜩􀜨􀜑 CO2(g)+H2(g) ΔH2=-41.1 kJ·mol-1 下列说法错误的是( )。 A.平衡时向容器中充入惰性气体,反 应Ⅰ的平衡不移动 B.混合气体的密度保持不变时,说明反 应体系已达到平衡 C.平衡时H2 的体积分数可能大于 2 3 D.将炭块粉碎,可加快反应速率 答案:C 解析:由于容器体积固定,充入惰性气体 虽使容器内压强增大,但反应物和生成物的 浓度不变,故平衡不会移动,A项正确。容器 体积固定,反应物中存在C(s),未达平衡前, 气体的总质量增大,混合气体的密度逐渐增 大,当密度不变时说明反应达到平衡状态,B 项正确。反应Ⅰ、Ⅱ相加得总反应 C(s)+ 2H2O(g)􀜩􀜨􀜑 CO2(g)+2H2(g),若 H2O(g) 完全转化,则所得混合气体中 H2 的体积分 数为 2 3 ,由于反应为可逆反应,故混合气体中 H2 的体积分数小于 2 3 ,C项错误。将炭块粉 碎,增大反应物的接触面积,可以加快反应速 率,D项正确。 反思与评价:本题的难点是怎样判断出 C项的正误。如果只利用题给的反应Ⅰ和反 应Ⅱ进行分析,是很难进行准确判断的。注 意到反应Ⅰ的生成物“CO”恰巧是反应Ⅱ的 反应物,因此反应Ⅰ和反应Ⅱ具有相关性,可 写出分步反应Ⅰ和分步反应Ⅱ的总反应方程 式C(s)+2H2O(g)􀜩􀜨􀜑 CO2(g)+2H2(g),因 为总反应是分步反应综合作用的必然结果。 所以,只要稍微分析该总反应方程式,便可顺 畅地拨开该疑难问题的迷雾。 三、科学思维,快刀斩乱麻 例 3 已知pX=-lgc(X),常温下,用 AgNO3 标 准 溶 液 分 别 滴 定 浓 度 均 为 0.01 mol·L-1 的 KCl溶液、K2C2O4 溶液, 所得的沉淀溶解平衡如图2所示(不考虑 C2O2-4 的水解)。下列说法正确的是( )。 (注:Xn-表示Cl-或C2O 2- 4 ) 图2 5 知识篇 科学备考与策略 高考理化 2025年6月 A.直线Ⅰ表示AgCl的沉淀溶解平衡曲线 B.Ksp(Ag2C2O4)的数量级为10-10 C.N点表示AgCl的不饱和溶液 D.若 向 浓 度 均 为0.01 mol·L-1 的 KCl、K2C2O4 的混合溶液中滴入 AgNO3 溶 液,先生成Ag2C2O4 沉淀 命题人提供的答案和解析如下: 答案:A 解析:根据Ksp(Ag2C2O4)=c2(Ag+)· c(C2O2-4 ),Ksp(AgCl)=c(Ag+)·c(Cl-), 分别取以10为底的对数为lgKsp(Ag2C2O4)= 2lgc(Ag+ )+lgc (C2O2-4 ),得 出 pAg+ = - 1 2pC2O 2- 4 - 1 2lgKsp (Ag2C2O4),lgKsp(AgCl)= lgc(Ag+ )+lgc(Cl- ),也 得 出 pAg+ = -pCl--lg Ksp(AgCl),根据两直线的斜率 为-1和- 1 2 可以判断直线Ⅰ为表示 AgCl 的沉淀溶解平衡曲线,直线Ⅱ为Ag2C2O4 的 沉淀 溶 解 平 衡 曲 线,故 A 项 正 确。根 据 Ksp(Ag2C2O4)=c2(Ag+)·c(C2O2-4 )= (10-4)2×10-2.46=10-10.46,数量级为10-11,故 B项错误。N点时Qc(AgCl)>Ksp(AgCl), 有沉淀生成,不是 AgCl的不饱和溶液,故C 项错误。根据图像可知当阴离子浓度都为 10-5.75 mol·L-1 时产生 AgCl沉淀需要的 Ag+浓度更小,故向浓度均为0.01 mol·L-1 的KCl、K2C2O4 的混合溶液中滴入 AgNO3 溶液,优先生成AgCl沉淀,D项错误。 赏析与点评:本题是一道经典的化学反 应原理好题,四个选项设问的呈现顺序非常 吻合考生的一般思维程序。欲解答好该题, 首要的是确定直线Ⅰ和直线Ⅱ的归属,这个 正是A项的设问,破解A项是关键。命题人 所写的关于 A项的解析,思维依然全面,逻 辑依然清晰,依然能够科学地推导出合乎要 求的答案,但这对数学的要求仍然太高,大部 分考生不能够如此顺畅地进行解答,有小题 大做之嫌,非常不推荐这种对数学要求过高 的方法。 科学思维:图像分析,在《化学选择性必 修1》教科书的“方法导引”栏目中已经有过 比较 系 统 的 学 习。大 致 的 思 维 模 型 是: 面———横坐标和纵坐标的含义→线———曲线 的斜率或者趋势→点———起点、终点、交点或 拐点等 控制变量 →作辅助线———等温线、等压 线等。 应用建构的思维模型,容易看出直线Ⅰ 明确给出了两个点的坐标数据,而直线Ⅱ只 明确给出了一个点的坐标数据。若曲线Ⅰ真 表 示 AgCl的 沉 淀 溶 解 平 衡 曲 线,则 把 c1(Ag+)=10-4 mol·L-1 和 c1 (Cl- )= 10-5.75 mol·L-1 代入Ksp(AgCl)=c(Ag+)· c(Cl-)中所求出的数值,必须跟把c2(Ag+)= 10-2 mol·L-1 和c2(Cl-)=10-7.75 mol·L-1 代入Ksp(AgCl)=c(Ag+)·c(Cl-)中所求 出的数值相等。经简单分析,便可秒杀出该 题的答案为A项。 反思与评价:把建构的图像分析题思维 模型尽可能用熟练,即便暂时没有形成正确 的解题思路,那么先主动写出可能涉及的计 算公式,写着写着,居然只是简单代入计算公 式运算,便能达到快刀斩乱麻、秒杀出答案的 效果。 总之,思维方式决定着行为方式。思维 决定行为、感受和需求。如果思维方式不现 实,你将会因此陷入沮丧和挫折之中。科学 思维者总是在思考他们的思维过程,不断地 对其进行反思和调整;科学思维者使用一些 思维“工具”来提升他们思维的质量;科学思 维者知道如何全方位深度地看待问题,使思 维方式更加具有逻辑性和可操作性,发展高 阶思维能力。 注:本文系长沙市教育科学“十四五”规 则课题“指向科学思维发展的高中化学探究 性教学策略研究”(课题编号:CJK2024171) 的研究成果之一。 (责任编辑 谢启刚) 6 知识篇 科学备考与策略 高考理化 2025年6月