湖北

催化劑、溫度、壓強(qiáng)、濃度等外界條件對(duì)可逆反應(yīng)的影響是化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡章節(jié)的重要內(nèi)容，可結(jié)合實(shí)際的生產(chǎn)、生活和科學(xué)研究情境，討論外界條件對(duì)可逆反應(yīng)的影響問(wèn)題，可以考查考生進(jìn)行四個(gè)層次的能力，是新高考的熱點(diǎn)問(wèn)題。

此類(lèi)問(wèn)題的難點(diǎn)主要有兩個(gè)方面：一是可逆反應(yīng)可受多種外界條件影響，其中溫度、濃度、壓強(qiáng)和催化劑是主要的影響因素，而催化劑的影響又與溫度有關(guān)；二是外界條件可以從多個(gè)角度影響可逆反應(yīng)，如反應(yīng)速率、反應(yīng)限度、反應(yīng)能耗以及反應(yīng)設(shè)備要求等。筆者發(fā)現(xiàn)，運(yùn)用辯證思維能有效解決與外界條件對(duì)可逆反應(yīng)的影響有關(guān)的問(wèn)題。

一、辯證思維的運(yùn)用基礎(chǔ)

辯證思維是認(rèn)識(shí)事物的科學(xué)思維方式，其特點(diǎn)是從影響事物的各個(gè)相互聯(lián)系的方面進(jìn)行分析，以便從整體上、本質(zhì)上全面地認(rèn)識(shí)事物。溫度、壓強(qiáng)、濃度和催化劑是影響可逆反應(yīng)的關(guān)鍵因素，從這些方面進(jìn)行綜合分析能更加完整地認(rèn)識(shí)外界條件對(duì)可逆反應(yīng)的影響。對(duì)立統(tǒng)一規(guī)律是辯證思維的基本規(guī)律之一，揭示了事物發(fā)展變化的根本原因是具有矛盾性。例如對(duì)于合成氨反應(yīng)來(lái)說(shuō)，高溫有利于加快反應(yīng)速率，卻不利于提高反應(yīng)限度，那么合成氨的條件是選擇低溫還是高溫就需要在對(duì)立中把握反應(yīng)速率與反應(yīng)限度的平衡，即根據(jù)催化劑活性選擇反應(yīng)溫度。分析綜合是辯證思維的體現(xiàn)，分析是把可逆反應(yīng)分解為反應(yīng)速率、反應(yīng)限度、生產(chǎn)能耗等不同的方面，分別研究外界條件對(duì)這些方面的影響，而綜合是按照實(shí)際生產(chǎn)條件的要求、結(jié)合化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡移動(dòng)原理進(jìn)行綜合調(diào)控，以形成更加深刻的認(rèn)識(shí)。

二、辯證思維的運(yùn)用模型

在高考題中，外界條件對(duì)可逆反應(yīng)的影響涉及多個(gè)方面，如溫度、催化劑、濃度、壓強(qiáng)等，所以在分析題目時(shí)首先要確定研究對(duì)象，再分析對(duì)象的各個(gè)影響因素，研究單個(gè)因素對(duì)其產(chǎn)生的影響，最后按照實(shí)際生產(chǎn)的需要在對(duì)立中把握統(tǒng)一，辨別主要因素和次要因素，綜合分析結(jié)果，進(jìn)而得出結(jié)論。運(yùn)用辯證思維解答此類(lèi)問(wèn)題的思維模型如圖1所示：

圖1

三、辯證思維的運(yùn)用實(shí)例

式中：k為反應(yīng)速率常數(shù)，隨溫度t升高而增大；α為SO2平衡轉(zhuǎn)化率，α′為某時(shí)刻SO2轉(zhuǎn)化率，n為常數(shù)。在α′=0.90時(shí)，將一系列溫度下的k、α值代入上述速率方程，得到v-t曲線，如圖2所示。

圖2

曲線上v最大值所對(duì)應(yīng)溫度稱(chēng)為該α′下反應(yīng)的最適宜溫度tm。ttm后，v逐漸下降。原因是。

【答案】溫度升高，k增大使v逐漸提高，但α降低使v逐漸下降。當(dāng)ttm，k增大對(duì)v的提高小于α引起的降低

【解析】該圖為速率—溫度曲線，研究對(duì)象是速率，根據(jù)速率方程，在α′一定的情況下，影響速率大小的因素有兩個(gè)：k和α。運(yùn)用辯證思維的分析模型如圖3：

圖3

【點(diǎn)撥】在本題中，分析對(duì)象是速率，圖像信息只涉及了溫度對(duì)反應(yīng)速率的影響，但是結(jié)合速率方程可知溫度是通過(guò)影響k和α兩個(gè)方面最終影響反應(yīng)速率，再分析溫度變化對(duì)這兩個(gè)因素的影響，最后進(jìn)行綜合分析得出結(jié)論。分析過(guò)程體現(xiàn)了辯證思維的特點(diǎn)，從對(duì)象在各個(gè)方面的相互聯(lián)系中進(jìn)行考查，以便從整體和本質(zhì)上認(rèn)識(shí)對(duì)象。

圖4

②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T(mén)3和T4(T4>T3)，測(cè)得c(NO)隨t(時(shí)間)的變化曲線如圖5。轉(zhuǎn)化相同量的NO，在溫度________(填“T3”或“T4”)下消耗的時(shí)間較長(zhǎng)，試結(jié)合反應(yīng)過(guò)程能量圖(圖4)分析其原因：。

圖5

【答案】T4溫度升高，反應(yīng)Ⅱ的速率加快；ΔH1<0，溫度升高，反應(yīng)Ⅰ平衡逆向移動(dòng)，c(N2O2)減小，反應(yīng)速率減慢。濃度降低的影響大于溫度對(duì)反應(yīng)Ⅱ速率的影響

【解析】分析曲線可知，轉(zhuǎn)化相同量的NO在溫度為T(mén)4時(shí)消耗的時(shí)間較長(zhǎng)，說(shuō)明溫度為T(mén)4時(shí)反應(yīng)速率較慢，為什么溫度越高反應(yīng)速率越慢呢？當(dāng)影響反應(yīng)速率的變量只有溫度時(shí)，則溫度升高，反應(yīng)速率加快。故一旦出現(xiàn)溫度升高反應(yīng)速率卻減慢的情況，則可判斷影響反應(yīng)速率的因素除了溫度外，還可能有反應(yīng)物濃度或催化劑的活性等其他因素。

結(jié)合圖4所示反應(yīng)歷程可知Ea1

圖6

【點(diǎn)撥】本題綜合性較強(qiáng)，問(wèn)題層次較深，分析影響反應(yīng)速率的因素難度較大。其一是考查了化學(xué)反應(yīng)歷程的相關(guān)知識(shí)，即活化能越小反應(yīng)速率越快，總反應(yīng)速率由慢反應(yīng)過(guò)程的速率決定；其二是影響反應(yīng)Ⅱ速率的因素有溫度和反應(yīng)物的濃度，反應(yīng)Ⅰ快速平衡后在溫度的影響下平衡發(fā)生移動(dòng)，導(dǎo)致N2O2濃度減小，間接造成了對(duì)反應(yīng)Ⅱ速率的影響。慢反應(yīng)即反應(yīng)Ⅱ是決定總反應(yīng)速率的步驟，但在溫度變化時(shí)反應(yīng)Ⅰ也通過(guò)平衡移動(dòng)所產(chǎn)生的影響證明了自己的重要性，所以反應(yīng)歷程中的兩步反應(yīng)過(guò)程彼此聯(lián)系、相互影響，體現(xiàn)了認(rèn)識(shí)事物就要認(rèn)識(shí)事物的各個(gè)方面，認(rèn)識(shí)事物本質(zhì)的辯證思維。

【例3】(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。

(3)CO2催化加氫合成二甲醚是一種CO2轉(zhuǎn)化方法，其過(guò)程中主要發(fā)生下列反應(yīng)：

ΔH=-122.5 kJ·mol-1

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(shí)CH3OCH3的選擇性隨溫度的變化如圖7。其中：

圖7

①溫度高于300℃，CO2平衡轉(zhuǎn)化率隨溫度升高而上升的原因是。

【答案】反應(yīng)Ⅰ為吸熱反應(yīng)，升高溫度，平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，CO2的平衡轉(zhuǎn)化率增大，反應(yīng)Ⅱ?yàn)榉艧岱磻?yīng)，升高溫度，平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，CO2的平衡轉(zhuǎn)化率降低。根據(jù)圖像可知上升幅度超過(guò)下降幅度

【解析】題目分析的對(duì)象是CO2的平衡轉(zhuǎn)化率，由反應(yīng)Ⅰ和反應(yīng)Ⅱ共同決定，運(yùn)用辯證思維的分析模型如圖8：

圖8

【點(diǎn)撥】本題的分析對(duì)象是CO2的平衡轉(zhuǎn)化率，反應(yīng)對(duì)象涉及相互關(guān)聯(lián)且相互競(jìng)爭(zhēng)的兩個(gè)反應(yīng)，而兩個(gè)反應(yīng)中一個(gè)是吸熱反應(yīng)，一個(gè)是放熱反應(yīng)，反應(yīng)特點(diǎn)不同，升高溫度對(duì)兩個(gè)可逆反應(yīng)的影響結(jié)果相互矛盾，最終的結(jié)論表現(xiàn)了矛盾雙方的對(duì)立統(tǒng)一。

解答此類(lèi)題時(shí)一定要辨析清楚題目所給出的轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)率、體積分?jǐn)?shù)或含量是否為平衡狀態(tài)的量，若不是平衡量，問(wèn)題的分析角度就會(huì)發(fā)生變化。

以丙烯、氨、氧氣為原料，在催化劑存在下生成丙烯腈(C3H3N)和副產(chǎn)物丙烯醛(C3H4O)的熱化學(xué)方程式如下：

(2)圖9為丙烯腈產(chǎn)率與反應(yīng)溫度的關(guān)系曲線，最高產(chǎn)率對(duì)應(yīng)的溫度為460℃。低于460℃時(shí)，丙烯腈的產(chǎn)率________(填“是”或者“不是”)對(duì)應(yīng)溫度下的平衡產(chǎn)率，判斷理由是

；

高于460℃時(shí)，丙烯腈產(chǎn)率降低的可能原因是________(雙選，填標(biāo)號(hào))。

A.催化劑活性降低 B.平衡常數(shù)變大

C.副反應(yīng)增多 D.反應(yīng)活化能增大

圖9

【答案】不是 該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，平衡產(chǎn)率應(yīng)隨溫度升高而降低 AC

【解析】本題曲線中的產(chǎn)率未指明是否為平衡產(chǎn)率。當(dāng)溫度低于460℃時(shí)，產(chǎn)率隨溫度的升高而增大，變化結(jié)果與平衡產(chǎn)率的變化趨勢(shì)不一致，所以此時(shí)為非平衡產(chǎn)率。溫度高于460℃時(shí)的產(chǎn)率是否一定為平衡產(chǎn)率呢？通過(guò)分析題干信息可知，反應(yīng)除了生成丙烯腈外還有副產(chǎn)物丙烯醛生成，所以影響產(chǎn)率的因素可能還存在副反應(yīng)；反應(yīng)條件有催化劑，而催化劑的活性會(huì)受到溫度的影響；當(dāng)然，如果反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，則升高溫度平衡逆向移動(dòng)也可能導(dǎo)致產(chǎn)率降低。運(yùn)用辯證思維的分析模型如圖10：

圖10

【點(diǎn)撥】溫度低于460℃時(shí)，產(chǎn)率隨溫度的變化結(jié)果與平衡產(chǎn)率隨溫度的變化趨勢(shì)不一致，所以此時(shí)為非平衡產(chǎn)率，這個(gè)結(jié)論相對(duì)容易得出。但溫度高于460℃時(shí)的產(chǎn)率是否一定為平衡產(chǎn)率呢？圖10是產(chǎn)率—溫度曲線，隨溫度的變化曲線出現(xiàn)了拐點(diǎn)，按照學(xué)生的習(xí)慣性思維，容易誤判為最高點(diǎn)和最高點(diǎn)之后是平衡狀態(tài)，最高點(diǎn)之前是非平衡狀態(tài)，所以培養(yǎng)學(xué)生的辯證思維能有效解決思維定式的問(wèn)題。從辯證思維的角度全面分析影響產(chǎn)率的因素，并且認(rèn)識(shí)到這些因素之間是彼此聯(lián)系的，如加入催化劑能加快反應(yīng)的速率，升高溫度也能加快反應(yīng)的速率，但兩個(gè)因素同時(shí)作用時(shí)，對(duì)速率的影響結(jié)果就不能確定了，因?yàn)榇呋瘎┑拇呋钚允艿綔囟鹊挠绊憽?/p>

本題影響產(chǎn)率的因素除平衡移動(dòng)因素外，還有速率因素和副反應(yīng)因素，所以溫度高于460℃時(shí)的產(chǎn)率不一定是平衡產(chǎn)率。但如果影響因素只有平衡移動(dòng)，則該產(chǎn)率為平衡產(chǎn)率。故在遇到此類(lèi)問(wèn)題時(shí)，若判斷影響因素有多個(gè)時(shí)，則應(yīng)先分析單一因素的影響，再進(jìn)行綜合分析。

四、啟發(fā)

“外界條件對(duì)可逆反應(yīng)的影響”的相關(guān)問(wèn)題包含外界條件對(duì)濃度、速率、轉(zhuǎn)化率、含量等多個(gè)方面的影響，這些因素之間又相互聯(lián)系，試題中所討論的可逆反應(yīng)狀態(tài)一般涉及非平衡和平衡兩種狀態(tài)，非平衡狀態(tài)下的影響主要是從速率的角度討論，平衡狀態(tài)下的影響主要從平衡移動(dòng)的角度討論?？v觀此類(lèi)高考題的設(shè)問(wèn)，大都情況復(fù)雜、綜合性較強(qiáng)、難度較大，辯證思維是解決此類(lèi)高考題的有效方法，運(yùn)用辯證思維模型，先確定研究對(duì)象，判斷可逆反應(yīng)所處狀態(tài)，依據(jù)事物之間的普遍聯(lián)系找出影響對(duì)象的不同因素，再依據(jù)反應(yīng)速率理論和化學(xué)平衡原理分析影響對(duì)象的結(jié)果，最后按照對(duì)立統(tǒng)一的規(guī)律從整體上、本質(zhì)上進(jìn)行綜合以得出結(jié)論。