4 化学动力学试题的思维模型建构-《中学生数理化》高考理化2025年10月刊

知识篇知识结构与拓展 高考理化2025年10月 中学生数理化 化学动力学试题的思维模型建构 ■郑州外国语学校 陈宁 韩青 化学反应原理模块是多数同学在整个高 二、化学动力学相关概念界定 中化学学习中的难点。同学们在学习本模块 1.化学动力学：研究化学反应速率、反应 时主要面临的问题有：①无法将知识规律有 机理（历程）的重要物理化学分支。 效归纳，进而在解答问题时灵活运用；②学习 2.反应历程：化学反应的微观本质是旧 时缺乏方法指导；③由于本模块知识抽象、对 键断裂和新键的形成，反应历程是研究化学 图形分析能力要求高等原因畏难而缺乏学习 反应沿什么途径，按照什么步骤去断键、成 兴趣。通过对典型高考真题中化学动力学试 键，从而形成产物的过程。 题的研究，发现许多试题都能归类，并建立起 3.过度态理论：反应物分子靠近时，首先需 相应的思维模型，将问题分析过程变得可视 要结合成一种“活化络合物”即过渡态，然后才能 化，从而有效分析并解决问题。下面以化学 转化为产物。可以利用图1、图2模型进行理解。 反应原理中化学动力学模块为研究对象，以 能量 化学动力学高考真题为载体，建立问题解决 的思维模型。 一、化学动力学概念框架 不断完善的基本概念框架是建立思维模型 反应历程 的前提，高考化学动力学相关的概念框架如下。 图1：基元反应A十BC·AB十C的能量一历程图 平均反应速率 反应速率方程 能量 化学反应速率 瞬时反应速率 影响反应速率的「浓度 A4 外部因素 压强 温度 化学动力学 催化剂 碰撞理论 化学反应机理 过渡态理论 (反应历程) 基元反应 反应历程 速控步骤 图2：复杂反应A十B→D的能量一历程图 g二gg5=E5g=二EESS6S=gggg=二gg÷∈ggg=gg5g55gg=eggE5gE二gg555gg二gg二3685S二SE8S858÷g 11 中学生表理化智州贸德辞7 假设图2中总反应A十B→D的机理分 三、三种典型动力学试题的思维模型建 两步：①A十B→C;②C→D。其中C为中间 构及应用 产物，也称作中间体，带*的(A十B)”和C 1.速率大小比较型试题的思维模型建构。 分别为反应①和反应②的活化络合物，也称 对于速率大小比较型试题，首先要辨析 作过渡态。 反应速率类型。判断方法：关注题目用词，若 4.基元反应：反应物分子经碰撞，一步便 某速率无正向或者逆向等方向性描述，则表 能生成产物的反应叫作基元反应。相应地， 示净反应速率，即用平均反应速率知识解题； 反应物分子经历多步碰撞才能转化为产物的 若某速率有方向性描述或者某一时刻的时间 反应称为非基元反应。 描述，则表示单向反应速率，即用瞬时反应速率 5,速控步骤：一个反应机理中，若某 知识解题。此类试题的思维模型如下所示。 一个基元反应速度慢于其他反应，活化能 根据是否有某一时刻或者方向性等词汇描述速率 高于其他反应，则该步骤决定总反应速 率，我们将其称为决速步（也称为速控步 平均反应速率 解时反应速率 骤)。总反应速率方程可由决速步的速率 根据信息找出 方程近似代替。 6.速率方程：表示反应物浓度与化学反 根据-△Cm△解题 是。若正向进行，节正心地：逆向进行，"正划 否，则根据图像斜率或者瞬时反应速率方程 应速率关系的等式。对于反应aA+bB一 =h(A)cRE)来解题 cC十dD中，高中化学教材常用反应物浓度 例1 298K时，将20mL3.xmol·L 单位时间内的减少量或生成物浓度的增加量 Na4AsO3、20mL3xmol·L112和20mL 表示反应速率，是一个净速率的概念，对于同 NaOH溶液混合，发生反应AsO(aq)+ 一反应，使用不同物质表示反应速率，数值会 I2 (aq)+20H=AsO(aq)+2I (aq)+ 因计量数产生差异。方便起见，国际单位制 H2O(1)。溶液中c(AsO})与反应时间(t) 建议用公除以相应物质计量数的方法表示 的关系如图3所示。 速率，那么一个反应便只有一个化学反应速 率值。即平均反应速率v=一 △c(A) a△t )/(-OS △c(B)_△c(C2=△c(D) ,表示净速率。瞬 (/min b△t c△t d△t l1im△c(A) 图3 时反应速率为v正= a△t ①tm时，v正v(填“大于”“小于”或 lim△c(B) lim△c(C) “等于”)。 b△t =kc°(A)c(B),v滋= c△t ②tm时逆__t。时v滋（填“大于”“小 lim△c(D) 于”或“等于”)，理由是 d△t =kcP(C)c(D),其中，a、B、p、q 解析：首先根据此类试题的一般思维模型， 为实验测定数据，一般为正数，对于非基元反 将此题的具体情况代入模型，问题便可顺利解决。 应，未必与物质的计量数相等，若属于基元反 有正、逆方向性词汇描述速率 应，它们与物质的计量数相等。对于更复杂 瞬时反应速率 的不符合以上形式的速率方程根据具体信息 根据是否为正与逆 提示做题。对于指定的化学反应，速率常数 两个方向速率比较 k只与其活化能和反应温度有关。单向反应 ①是lm时刻，反应向正向进行，故正>心逆 ②否。根据瞬时反应速率方程：=kc“(AsO() 速率的概念只适用于瞬时反应速率。 L时刻c(AsO)浓度更大，故逆（更大 12 译露业以短牌师骨中学生表理化 答案：①大于②小于 应活化能，△H表示反应物与生成物能量差。 例2为研究某溶液中溶质R的分解 由图2可知，复杂反应中所含一步反应（基元 速率的影响因素，分别用三份不同初始浓度 反应)个数等于1十波谷个数，“1”代表产物， 的R溶液在不同温度下进行实验，c(R)随时 波谷代表不同基元反应的中间体，每一步反 间变化如图4所示。下列说法不正确的 应的活化能、焓变计算方法同上，其中活化能 是( ）。 最大的反应称为决速步骤，总反应速率决定 于该步反应的速率。绘图型试题的思维模型 2.0 如下。 1.6 明确△H等能量 画出反 1.2 数据和基元 中 体 明确E 画出过波态 用平滑曲线 应个数信息 数据信思 车接各关 产物的位 0.8 25C 0 0.4 例3 已知：298K时，相关物质的相对 0.0 能量如图5所示。 0 1020.30405060 t/min 100入 CH4g一52 图4 0 Hg一0 A.25℃时，在10~30min内，R的分解 C2H6(g) -84 平均速率为0.030mol·L1·min1 -100 CO(g) -110 B.对比30℃和10℃曲线，在50min -200 H2O(g) 242 时，R的分解百分率相等 -300 H20) -286 C.对比30℃和25℃曲线，在0 400 C0(g)393 50min内，能说明R的分解平均速率随温度 升高而增大 图5 D.对比30℃和10℃曲线，在同一时刻， 可根据相关物质的相对能量计算反应或 能说明R的分解速率随温度升高而增大 变化的△H(△H随温度变化可忽略)。 解析：A、C明确指出平均速度，因此只需 有研究表明，在催化剂存在下，某反应分 准确读取相应时间段图像上始、终态数据，并 两步进行，过程如下：【C,H（g)十CO(g)】→ 代人平均速率方程计算即可。关键是D选项 【C2H,(g)+H2(g)+CO,(g)】→【CH,(g)+ 的分析，分析过程如下： CO(g)十H2O(g)】,且第二步速率较慢（反应 “同一时刻”关键词限定分解速率 活化能为210kJ·mo1)。根据相关物质的相 对能量，画出该反应分两步进行的“能量一反 瞬时反应速率 应过程图”，起点从【CH(g)十CO,(g)】的能 根据是否为v正与V送 两个方向速率比较 量一477kJ·mo1-1开始。 D否根据瞬时反应速率方程U分解kc“(R),其中30C 解析：绘图前首先需要计算中间体、最终 曲线，温度越高越大则越大，同时c(R)越大v越大， 无法说明增大是温度原因还是浓度原因 产物的能量，C2H,(g)+CO2(g)能量为 答案：D -477kJ·mo1-1,C,H4(g)+H2(g)十 2.绘图型试题的思维模型建构。 CO2(g)能量为-341kJ·mol-1,C2H1(g)十 能量一反应历程图是依据过渡态理论绘 HO(g)+CO(g)能量为一300kJ·mol- 制的，此类问题解决的关键在于分析清楚反 第二步E。=210kJ·mol1,推出第二步过渡 应的历程。由图1可知，对于一步反应（基元 态能量为一131kJ·mol1,第一步过渡态能 反应)，作图时涉及的关建物质有反应物和产 量小于(-477十210)kJ·mo11= 物，涉及的过渡态只有一个，过渡态与反应 一267kJ·mol1。具体思考过程及答案 物、产物能量差分别表示正反应活化能、逆反 如下。 13 中学生数理化 知识篇知识结构与拓展 高考理化2025年10月 又应物能 例5NO氧化反应：2NO(g)十O2(g) 341k-m0 一2NO2(g)分两步进行，其反应过程能量变 物传 -300kJmol 反应历 化如图6所示。 反应所南 3.原因解释型试题的思维模型建构。 I.2NO(g)-N2O2(g)△H 高考真题中曾数次出现：温度升高，化学 Ⅱ.N2O2(g)+O2(g)一2NO2(g) 反应速率降低的情况。这与考生的既有认知 △H 是有冲突的，只有挖掘出这种“反常”情况出 个能量 下E. 现的原因才能真正解决问题。根本上来讲， 2NO(g)+0(g 因为许多化学反应并不是基元反应，而是由 E 多步反应构成的复杂反应，总反应速率方程 N,0(g+0(g 近似等于决速步速率方程，因此决速步反应 物浓度，速率常数k随外部条件的变化决定 2N0(g 了总速率大小的变化。此类试题思维模型建 反应过程 构的核心在于找出决速步骤、分析决速步速 图6 率影响因素。明确决速步解决外部条件对速 (1)决定NO氧化反应速率的步骤是 率影响试题的思维模型如下。 (填“I”或“Ⅱ”)。 [速率最慢 活化能最高 单位时间内有效碰撞分子数最少 (2)在恒容的密闭容器中充入一定量的 NO和O2气体，保持其他条件不变，控制反 决速步骤 应温度分别为T:和T2(T2>T),测得 写出决速步骤的正向反应速方程 据硅攆理论，活化能数据等， c(NO)随t(时间)的变化曲线如图7所示。 分析影响k和决速步反应物浓度的外部因素 比汉应速率 转化相同量的NO,在温度（填“T1”或 不、P、催化剂等 “T,”)下消耗的时间较长，试结合反应过程能 例4已知：Cl,(g)+2NaOH(aq) 量图分析其原因： NaCl(aq)+NaClO(aq)+H2O(1)AH= T>T -102kJ·mo1- 3Cl,(g)+6NaOH (aq)=5NaCl(aq)+ NaClO;(aq)+3H2O (1) △H2= -422kJ·mo11 有研究表明，生成NaCl1O3的反应分两 图7 步进行： 1.2C10-C1O2+C1 解析：由能量一反应历程图可知，△H1 Ⅱ.C1O2+C1O--C1O+C1 0,△H2<0,△H总<0，E1<E2。显然，速控 步骤为反应Ⅱ，总反应速率决定于反应Ⅱ： 常温下，反应Ⅱ能快速进行，但氯气与 T升高，k增大，增大： NaOH溶液反应很难得到NaCIO,,试用碰撞 由能量历程图 口为决速步 速率方程为 T升高，平衡逆向移动 可知Ea更大 CNO2)减小，减小. 理论解释其原因： =hN02)O2) 图示温度升高，减小 明T升高导致浓度的 解析： 变化对影响更大 Ⅱ为快反应， 1活化能高，单位时间 C10浓度小， 总之，新高考改革以来，化学动力学试题 则为慢反应 为决速步 内间0有数排搐生扫 碰撞产生C1o CO和cr几率小 的几率小 较新颖，与既有认知冲突的试题也逐渐增多， 答案：反应工活化能高，活化分子百分数 因此建立完善的相关知识架构，总结规律并 小，产生的CO2浓度小，进而导致产生 给试题分类，构建相应的思维模型，解决问题 C1O速率慢 时才能事半功倍。 (责任编辑谢启刚) 14