试题导向下的高中化学动力学教学研究

河北 韩万中

化学热力学解决的问题是化学反应的自发性、方向或反应的限度，但是这种情况中反应的可能性不等于反应的实际情况；而化学动力学研究化学反应速率及其反应条件对反应速率的影响，揭示反应的具体过程，即反应历程，也就是描述了反应用时、反应途径，从而达到热力学指定的那种状态。

以研究化学反应速率为主要内容的化学动力学内容在各版本教材中的设置一直较为简略，多为事实性知识或实验探究得出的定性结论，理论分析呈现不足。2003年4月教育部颁发的《普通高中化学课程标准(实验)》将活化能引入中学教学，提出学生应“知道活化能的含义及其对化学反应速率的影响”，使化学反应速率的相关教学有了一定的理论性。但人教版旧教材只是对催化剂可降低活化能的作用给出简单的说明，再无其他具体讲解内容。在教学过程中，很多师生常将总反应当作基元反应看待，将总反应的活化能看作活化分子与反应物分子的能量差值，使教与学在不经意间走进误区。2014年《国务院关于深化考试招生制度改革的实施意见》对高考内容改革提出了新的时代要求，2018年颁布《普通高中化学课程标准(2017年版)》及其在2020年的修订版(以下简称《课程标准》)中，增加了“知道化学反应是有历程的”条目，2019年人教版教材中优化增补了基元反应、反应机理和过渡态理论等介绍，这不仅完善了化学动力学内容，同时还为引领学生进行本源性思考化学反应速率问题提供了新的维度和视角，培养了学生的宏观辨识与微观探析等化学学科核心素养。

2015年全国卷Ⅰ、海南卷化学分别出现了速率方程及反应历程图像，其中均含有过渡态，是国家启动高考考试改革传递的一个信号，随后植入的反应历程、基元反应、速率方程等试题情境及信息如雨后春笋一样出现在模考、高考试题中，考查学生的理解辨析、定量分析及系统思维能力。

《中国高考评价体系》中明确指出高考评价体系将“引导教学”纳入核心功能，应对这些理论性较强的问题，只凭教材中那一点知识是根本不够的，教师系统地讲授大学一年级普通化学的相关知识也不现实。本文尝试以几道典型试题为线索，在分析问题、解决问题中，嵌入一些相对陌生的概念、理论，帮助学生搭建基于《课程标准》的化学动力学基本认知结构，在不加重学生学习负担的基础上实现对该模块知识的深度理解，培养学生的能力与核心素养。

1.明确“化学反应是有历程的”

人教版旧教材中尽管有碰撞理论的介绍，但学生还是普遍认为化学反应是从反应物到产物一蹴而就的，没有考虑到反应的微观过程和路径。当试题中出现CH4与Cl2发生光取代反应有C2H6的生成等问题时学生就会感到困惑，冥思之后或许会感到化学反应可能不像化学方程式表述的始末态那样简单。

【例1】甲烷与氯气在光照条件下发生取代反应的部分机理和能量变化如下：

链增长：

……

下列说法错误的是

( )

A.Cl2的键能为242.7 kJ·mol-1

B.链增长过程中可能产生·CH2Cl、·CHCl2、·CCl3等自由基

C.链终止反应的活化能一般较大

D.在链终止的过程中，还可能会生成少量的乙烷

【参考答案】C

图1 氯自由基与甲烷反应生成一氯甲烷的反应势能变化图

2.指向速率方程

人教版教材中将单位时间内反应物浓度的减少值或生成物浓度的增加值的绝对值称为化学反应速率。在介绍化学平衡时指出，当可逆反应的正反应速率与逆反应速率相等时，反应物和生成物的浓度都不再改变，说明化学反应达到平衡状态，平衡状态时体系中组分的浓度不再改变，从定义中的方法求得的化学反应速率为零，而实际的正、逆反应速率却不为零，这是很多学生提出的疑问。这里涉及两种速率的表示，以定义中方法求得的反应速率实质上是一种平均速率，是指反应在某一时段内的快慢；而实际的反应速率则属于瞬时速率，是指反应在某一时刻的速率，当反应处于平衡状态时间段内，平均反应速率为零，但瞬时速率大于零。

①科研小组测得380℃时该反应的c(NO2)、c(CO)、生成CO2的速率[v(CO2)]的关系如表所示：

c(CO)/(mol·L-1)0.0250.050.025c(NO2)/(mol·L-1)0.040.040.12v(CO2)/(mol·L-1·s-1)2.2×10-44.4×10-46.6×10-4

则该温度下的反应速率常数k=________。

Ⅱ.略，这两个反应中活化能较小的是________。

【参考答案】①0.22 L·mol-1·s-1②2NO2NO Ⅱ

【解析】①表1数据表明CO和NO2的浓度均会影响反应速率，设该反应的正反应速率方程为v=kcx(NO2)·cy(CO)，将表格中相应数据代入有2.2×10-4=k×0.04x×0.025y、4.4×10-4=k×0.04x×0.05y、6.6×10-4=k×0.12x×0.025y，解得x=1，y=1，k=0.22 L·mol-1·s-1。

(2)浓度、温度及催化剂影响反应速率

【例3】(2020·全国卷Ⅱ·28节选)天然气的主要成分为CH4，一般还含有C2H6等烃类，是重要的燃料和化工原料。

①设反应开始时的反应速率为r1，甲烷的转化率为α时的反应速率为r2，则r2=________r1。

②对于处于初期阶段的该反应，下列说法正确的是________。

A.增加甲烷浓度，r增大

B.增加H2浓度，r增大

C.乙烷的生成速率逐渐增大

D.降低反应温度，k减小

【参考答案】①(1-α) ②AD

3.指向实际化工生产中的复杂反应

(1)平行反应

【例4】乙烯直接氧化法生产环氧乙烷的主反应：

副反应：

ΔH3

研究发现，温度T在490～620 K范围内，乙烯的分压p(C2H4)在0.000 2 Mpa～0.003 Mpa范围内，上述三个反应的速率r分别满足下列方程：

。

【参考答案】降低 根据速率方程，升高温度时，r3增大最多，即反应③增速最多，导致产物中环氧乙烷选择性降低。

(2)连串反应

【例5】十氢萘是具有高储氢密度的氢能载体，经历“十氢萘(C10H18)→四氢萘(C10H12)→萘(C10H8)”的脱氢过程释放氢气。已知：

(3)温度335℃，在恒容密闭反应器中进行高压液态十氢萘(1.00 mol)催化脱氢实验，测得C10H12和C10H8的产率x1和x2(以物质的量分数计)随时间变化关系，如图2所示。

图2

①在8 h时，反应体系内氢气的量为________mol(忽略其他副反应)。

②x1显著低于x2的原因是

。

【参考答案】①1.951

②催化剂显著降低了C10H12到C10H8的活化能，反应生成的C10H12迅速转变为C10H8，使C10H12不能积累

【解析】该化工原理为典型的连串反应，C10H12为中间产物。根据图像中产物产率随时间的变化趋势，说明两反应均未达到平衡状态，需从动力学角度入手。中间产物C10H12之所以保持较低产率的原因在于第二步反应活化能小、反应速率快，C10H12很快转化为C10H8，正因如此C10H8产率一直在增加，相同时间内，C10H12的产率x1显著低于C10H8的产率x2。