“化學(xué)反應(yīng)速率與限度”試題思維路徑的構(gòu)建

趙雪 孫子秀 劉傳民

摘要： 以山東省普通高中學(xué)業(yè)水平等級考試“化學(xué)反應(yīng)速率與限度”試題為例，基于素養(yǎng)立意下高考及等級考試化學(xué)學(xué)科的考查特點，針對如何面對復(fù)雜的試題情境、如何確定正確的認知角度及如何解讀陌生圖像信息等問題，梳理并歸納了學(xué)生應(yīng)建構(gòu)的思維路徑，為該主題的教學(xué)提供借鑒。

關(guān)鍵詞： 高考化學(xué)； 化學(xué)反應(yīng)速率與限度； 化學(xué)熱力學(xué)； 化學(xué)動力學(xué)

文章編號： 1005-6629（2023）09-0087-06???中圖分類號： G633.8???文獻標(biāo)識碼： B

在探索化學(xué)變化本質(zhì)和規(guī)律的過程中，化學(xué)學(xué)科衍生出兩個重要的分支領(lǐng)域——化學(xué)熱力學(xué)和化學(xué)動力學(xué)?；瘜W(xué)熱力學(xué)重在研究化學(xué)變化的方向和限度，化學(xué)動力學(xué)則重在研究化學(xué)反應(yīng)的速率與機理。普通高中化學(xué)課程中“化學(xué)反應(yīng)的方向、限度和速率”主題的內(nèi)容設(shè)計，就是從熱力學(xué)、動力學(xué)兩個領(lǐng)域，引導(dǎo)高中學(xué)生認識化學(xué)變化的本質(zhì)并初步掌握化學(xué)反應(yīng)的基本原理和研究方法?！盎瘜W(xué)反應(yīng)的方向、限度和速率”作為高中化學(xué)課程體系中最能體現(xiàn)學(xué)科本質(zhì)的內(nèi)容之一，在彰顯學(xué)科思想、弘揚學(xué)科價值和展現(xiàn)學(xué)科魅力等方面都具有獨特的優(yōu)勢?；诖?，高考作為高中課程重要的評價方式，一直以來都對上述內(nèi)容的考查給予充分的重視。可以說，“化學(xué)反應(yīng)的方向、限度和速率”既是高中化學(xué)課程的核心主干內(nèi)容，同時也是高考重點考查的內(nèi)容，雙重加持下，高中化學(xué)教學(xué)對這部分內(nèi)容的重視與投入程度不可謂不大。然而，從實測情況來看，“化學(xué)反應(yīng)速率與限度”試題往往是高考試題中對學(xué)生挑戰(zhàn)最大的試題。很多學(xué)生在考場上沒有思路、無從下手，然而一經(jīng)講解后卻又感覺恍然大悟。這種現(xiàn)象說明學(xué)生盡管掌握了該主題的基礎(chǔ)知識，但在面對真實且具有一定復(fù)雜程度的試題情境時，往往不能將情境信息與所學(xué)知識建立聯(lián)系，也就談不上運用知識解決問題了。面對“化學(xué)反應(yīng)速率與限度”試題，正確的思維路徑是什么？本文以山東省等級考試化學(xué)試題為例，對此進行了梳理和歸納。

1? 基于試題情境，提煉反應(yīng)模型

為落實課程標(biāo)準(zhǔn)“以真實情境為測試載體”的命題原則，高考試題越來越重視情境在試題設(shè)計中的作用，追求在真實的特定情境中融入測試任務(wù)來考查學(xué)生解決實際問題的能力。因此，在當(dāng)下的“化學(xué)反應(yīng)速率與限度”試題中，以往常見的“A+B

C+D”式的無情境試題已難覓蹤跡，取而代之的是體現(xiàn)學(xué)科前沿成果的“學(xué)術(shù)探索情境”及再現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)過程的“生產(chǎn)環(huán)保情境”［1］。在價值取向上，這些情境首先應(yīng)是“真實的”和“科學(xué)的”，而不是來自命題人的杜撰與想象。真實情境往往會具有一定的復(fù)雜程度，這也使試題在塑造情境時從之前常見的僅涉及一個可逆反應(yīng)的簡單平衡體系轉(zhuǎn)變?yōu)樯婕岸鄠€反應(yīng)的更為復(fù)雜的平衡體系［2］。分析近年來山東省等級考試試題的情境選材，這一變化趨勢有著清晰的表現(xiàn)（見表1）。

情境的真實性帶來了復(fù)雜度的提升，使研究體系所涉及的化學(xué)反應(yīng)看起來錯綜復(fù)雜而沒有頭緒，但如果剝?nèi)デ榫车摹巴庖隆?，就會發(fā)現(xiàn)“化學(xué)反應(yīng)速率與限度”試題的考查體系中一定會包括至少一個可逆反應(yīng)，如果將該反應(yīng)視為主要研究對象，那么其他反應(yīng)與該反應(yīng)之間的關(guān)系則分為兩種，或為連續(xù)反應(yīng)，或為存在競爭關(guān)系的平行反應(yīng)。以此為基礎(chǔ)，再根據(jù)試題信息分析其他反應(yīng)是否同為可逆反應(yīng)，它們對主要研究對象的化學(xué)平衡會產(chǎn)生何種影響，就可以梳理并歸納出最終的反應(yīng)關(guān)系模型。以2021年試題為例，題目以利用甲醇與烯烴制備汽油添加劑2-甲氧基-2-甲基丁烷（TAME）為情境，構(gòu)建了三個平行的可逆反應(yīng)：

分析三個反應(yīng)的關(guān)系特點，反應(yīng)體系最終達到同時化學(xué)平衡狀態(tài)，且反應(yīng)Ⅰ-反應(yīng)Ⅱ=反應(yīng)Ⅲ，所以三個反應(yīng)并非獨立的化學(xué)平衡，只要有兩個反應(yīng)處于平衡狀態(tài)，則另一反應(yīng)也必然處于平衡狀態(tài)。明確了三個反應(yīng)的關(guān)系，學(xué)生在面對不同問題時就能確定需要研究的對象究竟是哪個反應(yīng)，明確解題線索。在2022年的試題中，題目在以γ-丁內(nèi)酯（BL）制備1，4-丁二醇（BD）為核心反應(yīng)的基礎(chǔ)上，增加了兩個非可逆的BD轉(zhuǎn)化為四氫呋喃（THF）和1-丁醇（BuOH）的平行副反應(yīng)，設(shè)計了快速平衡+慢反應(yīng)（非可逆）這一較少在高考試題中出現(xiàn)的連串反應(yīng)模型：

學(xué)生要分析反應(yīng)Ⅰ與反應(yīng)Ⅱ、 Ⅲ間的關(guān)系，明確討論平衡問題時的研究對象是處于動態(tài)平衡狀態(tài)的反應(yīng)Ⅰ，而非兩個根本不存在平衡狀態(tài)的副反應(yīng)。

2? 明確認知角度，抓住核心線索

基于試題情境分析不同反應(yīng)間的關(guān)系，基于研究體系提煉模型，這只是建構(gòu)“化學(xué)反應(yīng)速率與限度”試題思維路徑中的第一步，其目的是基于模型明確分析問題所要采用的認知角度，即從動力學(xué)或熱力學(xué)角度選擇分析問題的方法［3］。

研究發(fā)現(xiàn)，在反應(yīng)Ⅰ、 Ⅱ中，H+僅對反應(yīng)Ⅰ有催化加速作用；反應(yīng)Ⅰ速率遠大于反應(yīng)Ⅱ，近似認為反應(yīng)Ⅰ建立平衡后始終處于平衡狀態(tài)。忽略水的電離，其濃度視為常數(shù)。

相同條件下，若反應(yīng)起始時溶液中同時還含有0.10mol·L-1鹽酸，則圖示點a， b， c， d中，CO新的濃度峰值點可能是??????? （填標(biāo)號）。與不含鹽酸相比，CO達濃度峰值時，CO2濃度??????? （填“增大”“減小”或“不變”）。

基于三段式對t1時刻各物質(zhì)的濃度進行計算，H2O的濃度值為常數(shù)c0：

后續(xù)“相同條件下，若反應(yīng)起始時溶液中同時還含有0.10mol·L-1鹽酸”的兩個問題，實質(zhì)是在考查當(dāng)有鹽酸時，反應(yīng)Ⅰ初達平衡狀態(tài)時，CO、 CO2的濃度變化情況。盡管反應(yīng)Ⅰ平衡常數(shù)不變及CO、 HCOOH濃度比均不變，但考察CO、 CO2的濃度，顯然與反應(yīng)Ⅰ、 Ⅱ中二者的生成速率有關(guān)，于是分析問題的角度就要轉(zhuǎn)變?yōu)閯恿W(xué)角度了。從反應(yīng)速率不受鹽酸影響的反應(yīng)Ⅱ入手考察CO2的濃度，對于CO新的濃度峰值時刻，反應(yīng)Ⅱ進行的時間是減少的，那么每一時刻的瞬時生成速率呢？隨著CO生成速率增大，相同時刻進行對比，加入鹽酸時每個時刻對應(yīng)HCOOH的濃度都是減小的，這就意味著每一個對應(yīng)時刻CO2的生成速率都是降低的，由此可得到CO2濃度減小的結(jié)論。圖1所示為0～t′1時間段內(nèi)CO2生成速率υ（CO2）變化情況示意圖，0～t′1、 0～t1曲線下相應(yīng)面積即可代表CO2的濃度變化值。CO2濃度減小，則CO與HCOOH的總濃度增大，結(jié)合CO、 HCOOH濃度比仍為5的結(jié)論，不難判斷新的濃度峰值點應(yīng)為題中“a”點。

總之，基于試題體系提煉模型只是應(yīng)對“化學(xué)反應(yīng)速率與限度”問題的第一步，關(guān)鍵還在于考察模型特點后建構(gòu)處理各種反應(yīng)時所應(yīng)采取的認知角度，只有明確了分析問題所應(yīng)采取的理論方法，才能夠有的放矢、從容解決問題。

3? 破解圖像信息，厘清問題本質(zhì)

在“化學(xué)反應(yīng)速率與限度”試題中，很多數(shù)據(jù)事實是以圖像的形式加以呈現(xiàn)的，能否快速準(zhǔn)確獲取圖像中的信息、建立圖像信息與要解決問題間的內(nèi)在聯(lián)系是實現(xiàn)思維突破的重要一環(huán)。隨著學(xué)術(shù)探索情境在高考“化學(xué)反應(yīng)速率與限度”試題中使用的增加，圖像的陌生度、信息量均有所提升，但無論圖像如何呈現(xiàn)，考查的角度不變——仍然是控制變量研究外部條件對反應(yīng)速率、限度的影響。那么如何從多變的圖像中提取出有用的信息，又如何使用這些信息呢？筆者以為，一是要厘清圖像中相關(guān)變量的意義，讀懂圖像找到解決問題的“工具”；二是要明確問題的本質(zhì)是熱力學(xué)還是動力學(xué)問題，進而確定解決問題時所選用的“工具”。

3.1? 讀懂圖像，明確圖像中變量的化學(xué)意義

3.2? 厘清問題本質(zhì)，正確調(diào)用認知角度

讀懂圖像只是找到了解決問題可能用到的證據(jù)，從何種角度運用證據(jù)，還需要學(xué)生厘清問題的本質(zhì)是熱力學(xué)問題還是動力學(xué)問題，如此才能有的放矢地使用證據(jù)。以2021年山東省等級考試20題為例：

［題例］（2021年山東省等級考試20題，節(jié)選）為研究反應(yīng)體系的動力學(xué)行為，向盛有四氫呋喃的另一容器中加入一定量A、 B和CH3OH?？刂茰囟葹?53K，A、 B物質(zhì)的量濃度c隨反應(yīng)時間t的變化如圖所示。代表B的變化曲線為??????? （填“X”或“Y”）；t=100s時，反應(yīng)Ⅲ的正反應(yīng)速率υ正??????? 逆反應(yīng)速率υ逆（填“>”“<”或“=”）。

前文已述，本題的研究體系是包括反應(yīng)Ⅰ、 Ⅱ、 Ⅲ在內(nèi)的同時平衡體系，現(xiàn)在圖像給出了反應(yīng)Ⅲ反應(yīng)物和生成物的濃度變化曲線，并針對某個未達平衡的時刻提出了“t=100s時，反應(yīng)Ⅲ的正反應(yīng)速率υ正??????? 逆反應(yīng)速率υ逆”的問題，速率問題貌似應(yīng)該屬于動力學(xué)范疇，能否通過作曲線切線比較斜率來解釋呢？這樣思考的學(xué)生顯然是沒有抓住問題的本質(zhì)，圖中縱坐標(biāo)表示的是A、 B兩種物質(zhì)的濃度變化情況，但這種濃度變化是由反應(yīng)Ⅰ、 Ⅱ、 Ⅲ共同導(dǎo)致的，并不能直接代表反應(yīng)Ⅲ的正、逆反應(yīng)速率。動力學(xué)的角度行不通，就要考慮熱力學(xué)角度，平衡常數(shù)的線索作用就此再次體現(xiàn)出來，通過比較Q與K的相對大小即可判斷反應(yīng)Ⅲ進行的方向，那自然也就可以實現(xiàn)反應(yīng)Ⅲ正、逆反應(yīng)速率大小的比較了。

4? 運用化學(xué)規(guī)律，簡化復(fù)雜問題

列“三段式”是解決“化學(xué)反應(yīng)速率與限度”中定量問題的基礎(chǔ)方法，但如能抓住體系相關(guān)化學(xué)反應(yīng)的特征，靈活運用物料守恒關(guān)系，將復(fù)雜體系進行分解和簡化，會在極大程度上省時省力地解決問題。

目前高考“化學(xué)反應(yīng)速率與限度”試題所涉及的平衡體系通常是在確定溫度、壓力下的單相體系，對于這樣的平衡體系，要完全確定其平衡組成所需的最少物種數(shù)可根據(jù)獨立組分數(shù)K的計算公式加以確定，即K=S-R-R′。其中，S為平衡體系涉及的物種數(shù)，R為獨立的化學(xué)平衡數(shù)，R′則為獨立的濃度限制關(guān)系。換言之，在平衡常數(shù)確定的情況下，只要知道S-R-R′個物種的濃度，平衡體系的組成就可以完全確定，而每隱去一個反應(yīng)的平衡常數(shù)，則需要增加一個濃度已知條件。在高考試題當(dāng)中，通常是不會出現(xiàn)冗余條件的，那么對于一個給定體系，能否發(fā)現(xiàn)并運用濃度限制關(guān)系R′就成為快速確定平衡體系組成的“捷徑”。高中階段“化學(xué)反應(yīng)速率與限度”主題中物料守恒關(guān)系的發(fā)現(xiàn)和運用，本質(zhì)上就是要尋找并利用濃度限制關(guān)系R′以快速破解平衡體系的組成，從而對物質(zhì)濃度、化學(xué)平衡常數(shù)等進行定量確定。

“化學(xué)反應(yīng)速率與限度”主題學(xué)習(xí)的目標(biāo)是引導(dǎo)學(xué)生探索紛繁化學(xué)反應(yīng)背后的本質(zhì)和規(guī)律，學(xué)習(xí)如何根據(jù)這些規(guī)律控制和利用化學(xué)反應(yīng)?；谶@種學(xué)科價值，高考試題圍繞真實、多樣的反應(yīng)體系，力求實現(xiàn)在“化學(xué)反應(yīng)速率與限度”試題中考查學(xué)生解決復(fù)雜情境中實際問題的能力［6］。面對較高的考查要求，教學(xué)中不可能一蹴而就。廣大教師可基于學(xué)生認識發(fā)展的層次，首先借助單一化的理想體系幫助學(xué)生建立對平衡概念和變化規(guī)律的認識，學(xué)習(xí)解決一些簡單的無情境問題。然后納入時間變量，突出強化平衡常數(shù)的線索作用，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)從速率與平衡兩方面分析問題。最終引導(dǎo)學(xué)生解析實際生產(chǎn)工藝的復(fù)雜體系，提煉模型、抓住本質(zhì)，綜合動力學(xué)、熱力學(xué)兩個角度，運用好能量守恒與物料守恒等化學(xué)規(guī)律，形成證據(jù)推理、模型建構(gòu)、宏觀辨識、微觀辨析的學(xué)科高階思維品質(zhì)。

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