徐軍
摘 ?要:在高中化學核心素養(yǎng)和最新的化學考綱中,均突出了速率平衡的重要性。作為理科綜合化學科難度較大的題目,掌握相關的速率平衡理論,對教師的教和學生的學,無疑都非常重要。
關鍵詞:速率平衡;全國卷;速率方程
在最新的高中化學核心素養(yǎng)中,列舉了包括宏觀辨識與微觀探析、變化觀念與平衡思想、證據(jù)推理與模型認知、科學探究與創(chuàng)新意識、科學態(tài)度與社會責任5個核心素養(yǎng)。其中第2條變化觀念與平衡思想專門提到:認識化學變化有一定限度、速率,是可以調(diào)控的。速率平衡在化學核心素養(yǎng)短短的敘述中,都做了專門的提及,可見其重要性。
對于速率平衡這部分知識點,我從以下四個方面進行了思考:
一、v正、v逆的速率方程;
速率方程常見的是濃度、分壓、物質(zhì)的量分數(shù)三種表達式。在一定溫度下,基元反應的速率與反應物濃度(以反應方程式中的計量系數(shù)為指數(shù))的乘積成正比,該規(guī)律稱為質(zhì)量作用定律,近年高考常有涉及該考點的考查。例如對于基元反應:
2NO2(g)==2NO(g)+O2(g)v=kc2(NO2)
對于任意基元反應:mA+nB==pC+qDv=kcm(A)cn(B)
其中的一級反應如H2O2H2O+1/2O2↑,v=k.c(H2O2),每間隔相同時間,反應物H2O2的濃度減半。零級反應如固體的分解反應:2KClO32KCl+3O2↑,v=k,這是一個勻速反應,不是說每個反應的反應速率都會越來越慢。
我們來看2007年廣東高考第22題:
“碘鐘”實驗中,3I-+S2O===I+2SO的反應速率可以用I與加入的淀粉溶液顯藍色的時間t來度量,t越小,反應速率越大。某探究性學習小組在20℃進行實驗:
實驗編號 ① ② ③ ④ ⑤
c(I-)/mol·L-1 0.040 0.080 0.080 0.160 0.120
c(S2O)/mol·L-1 0.040 0.040 0.080 0.020 0.040
t/s 88.0 44.0 22.0 44.0 t1
表格所羅列的數(shù)據(jù)中,其實就隱含了該反應的速率方程v=kc(I-)c(S2O)的定量關系,這類題目可以設問求速率方程。
二、v正、v逆、K的之間的關系;
再看v正、v逆、K的之間的關系,不難得出K=v正/v逆,這個考點在近幾年高考中均有出現(xiàn),教學中必須加以重視。2018年全國Ⅲ卷第28題(3)就對這一個考點進行了考查:
對于反應2SiHCl3(g)SiH2Cl2(g)+SiCl4(g),采用大孔弱堿性陰離子交換樹脂催化劑,在323K和343K時SiHCl3的轉化率隨時間變化的結果如圖所示。
反應速率v=v正?v逆=k正x2(SiHCl3)?k逆x(SiH2Cl2)x(SiCl4),k正、k逆分別為正、逆向反應速率常數(shù),x為物質(zhì)的量分數(shù),計算a處v正/v逆=__________(保留1位小數(shù))。
該題目的最后一個空難度較高,但運用K=v正/v逆則比較簡單:
K的值①問已經(jīng)得到,a點可以求得 的值,最終得到答案。
三、Kc與Kp的換算;
接著我們看Kc與Kp的換算。雖然現(xiàn)在在高考中還沒有出現(xiàn),但在未來的高考題中是可能出現(xiàn)的。2018年全國I卷第28題(2)的④問對Kp進行了考查
F.Daniels等曾利用測壓法在剛性反應器中研究了25℃時N2O5(g)分解:
其中NO2二聚為N2O4的反應可以迅速達到平衡,體系的總壓強p隨時間t的變化如下表所示(t=∞時,N2O5(g)完全分解):
t/min 0 40 80 160 260 1300 1700 ∞
p/kPa 35.8 40.3 42.5. 45.9 49.2 61.2 62.3 63.1
④25℃時N2O4(g)2NO2(g)反應的平衡常數(shù)Kp=_______kPa(Kp為以分壓表示的平衡常數(shù),計算結果保留1位小數(shù))。
該題如果給了理想氣體狀態(tài)方程pV=nRT,則可進行Kc與Kp的換算。
因為pV=nRT,所以,所以c=p/RT。
對于反應N2O4(g)2NO2(g)反應的平衡常數(shù)Kp=p2(NO2)/p(N2O4)=13.4kPa。
通過以上推斷,我們可以得到一個一般結論:
KC=Kp.(RT)Δn(Δn=反應前氣體分子數(shù)-反應后氣體分子數(shù))。
四、阿侖尼烏斯經(jīng)驗公式的應用。
根據(jù)阿侖尼烏斯經(jīng)驗公式,可以得到以下結論:
(1)溫度T越高,則速率常數(shù)k越大,化學反應速率越快;同時,反應的活化能Ea越小,則速率常數(shù)k越大,化學反應速率越快。
(2)對于活化能較大的化學反應,其反應速率隨溫度的升高增加較更快,為什么?證明過程如下:
從上面的推理過程,我們不難得出另外一個結論:對同一反應,溫度變化相同時,在低溫區(qū)速率常數(shù)隨溫度的升高而增加的倍數(shù)較大。因此,我們要改變反應速率,在低溫區(qū)改變溫度,效果更明顯。
速率平衡這個題目難度較大、陌生度較高,通過以上討論,我相信難點應該迎刃而解,老師的創(chuàng)新性命題和學生的精準作答應該都不是問題。
參考文獻:
[1]中華人民共和國教育部制定《化學課程標準》人民教育出版社12017年版第3頁.
[2]教育部考試中心《2017年普通高等學校招生全國統(tǒng)一考試大綱的說明》高等教育出版社2017年版第358頁.