全國卷中壓強平衡常數的考查特點與典例解析

◇ 安徽 尉言勛 廣東 葉 俊

化學平衡常數可以定量衡量化學反應進行的程度,科學判斷化學平衡的移動方向.壓強平衡常數近3年在全國卷中連續考查,一般都是給予不同的新信息,要求學生根據提示寫出表達式,有時考查“三段式法”,先計算出平衡點時的各物質的量,求出物質的量分數,再根據Kp的定義,代入數據進行相關計算.

1 化學平衡常數

對于可逆反應:aA(g)＋bB(g)?cC(g)＋dD(g),用c(A)、c(B)、c(C)、c(D)分別表示各物質在化學平衡狀態時的濃度;當在一定溫度下達到平衡狀態時,,單位為(mol·L－1)(c＋d)－(a＋b).若用平衡分壓代替平衡濃度求算平衡常數時,稱為壓強平衡常數,用Kp表示.平衡分壓(分壓＝總壓×物質的量分數)代替平衡濃度,平衡常數表達式與用濃度表達相同,即生成物平衡分壓冪之積與反應物平衡分壓冪之積的比值.

2 典例解析

2.1 給予圖象信息,考查Kp的計算

例1(2020年全國卷Ⅲ,節選)二氧化碳催化加氫合成乙烯是綜合利用CO2的熱點研究領域.回答下列問題:

(1)CO2催化加氫生成乙烯和水的反應中,產物的物質的量之比n(C2H4)∶n(H2O)＝________.當反應達到平衡時,若增大壓強,則n(C2H4)________(填“變大”“變小”或“不變”).

(2)理論計算表明,原料初始組成n(CO2)∶n(H2)＝1∶3,在體系壓強為0.1MPa,反應達到平衡時,4種組分的物質的量分數x隨溫度T的變化如圖1所示.圖中,表示C2H4、CO2變化的曲線分別是________、________.CO2催化加氫合成C2H4反應的ΔH________0(填“大于”或“小于”).

(3)根據圖中點A(440K,0.39),計算該溫度時反應的平衡常數Kp＝________(MPa)－3(列出計算式.以分壓表示,分壓＝總壓×物質的量分數).

圖1

解析

(1)根據已知信息,CO2催化加氫生成乙烯和水,結合質量守恒、電子得失守恒,可得化學反應方程式為2CO2＋6H2?CH2CH2＋4H2O,因此n(C2H4)∶n(H2O)＝1∶4.該反應是氣體分子數減少的反應,根據平衡移動原理,若增大壓強,則化學平衡向正反應方向移動,n(C2H4)變大.

(2)由題中信息可知,兩反應物的初始投料之比等于二者的化學計量數之比;觀察曲線的起點縱坐標可得c和a的物質的量分數之比為1∶3;d和b的物質的量分數之比為1∶4,則結合化學計量數之比可以判斷,c和a分別為CO2和H2,d和b分別為C2H4和H2O.由圖中曲線變化趨勢可知,升高溫度,乙烯的物質的量分數減小,則化學平衡向逆反應方向移動,則該反應為放熱反應,ΔH小于0.

(3)原料初始組成n(CO2)∶n(H2)＝1∶3,在體系壓強為0.1MPa時建立平衡.由A點坐標可知,該溫度下,氫氣和水的物質的量分數均為0.39,則乙烯的物質的量分數為水的,二氧化碳的物質的量分數為氫氣的,因此,該溫度下反應的平衡常數

點評

本題各小題之間逐步遞進,第1小題配平化學方程式,確定產物的物質的量之比.第2小題結合題目給予信息以及提取圖象信息,確定代表各組分的曲線,第3小題計算壓強平衡常數.確定圖中曲線所代表的化學物質是本題的難點,關鍵在于明確物質的量的分數之比等于各組分的物質的量之比,也等于化學計量數之比(在初始投料之比等于化學計量數之比的前提下,否則不成立).題目有效滲透證據推理與模型認知、變化觀念與平衡思想等化學核心素養.

2.2 給予表格信息,考查Kp的計算

例2(2018年全國卷Ⅰ,節選)采用N2O5為硝化劑是一種新型的綠色硝化技術,在含能材料、醫藥等工業中得到廣泛應用,回答下列問題:F.Daniels等曾利用測壓法在剛性反應器中研究了25℃時N2O5(g)分解反應:

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的變化如表1所示(t＝∞時,N2O5(g)完全分解).

表1

①已知:2N2O5(g)＝2N2O4(g)＋O2(g)

② 研究表明,N2O5(g)分解的反應速率v＝2×10－3×p(N2O5)(kPa·min－1),t＝62min時,測得體系中p(O2)＝2.9kPa,則此時的p(N2O5)＝________kPa,v＝________kPa·min－1.

③ 若提高反應溫度至35℃,則N2O5(g)完全分解后體系壓強p∞(35℃)____63.1kPa(填“大于”“等于”或“小于”),原因是________.

④25℃時N2O4(g)?2NO2(g)反應的平衡常數Kp＝________kPa(Kp為以分壓表示的平衡常數,計算結果保留1位小數).

解析

②根據方程式可知O2與消耗N2O5的物質的量之比是1∶2,又因為壓強之比是物質的量之比,三段式為

則N2O5的壓強是35.8kPa－5.8kPa＝30.0kPa,反應速率為2.0×10－3×30＝6.0×10－2(kPa·min－1).

③ 容器容積不變,溫度升高,總壓強提高,且NO2二聚為放熱反應,溫度提高,平衡向左移動,體系物質的量增加,總壓強提高,所以若提高反應溫度至35℃,則N2O5(g)完全分解后體系壓強p∞(35℃)大于63.1kPa.

④根據表中數據可知N2O5完全分解時的壓強是63.1kPa,

總壓強應該是

平衡后壓強減少了

這是因為發生了反應:

所以N2O4(g)?2NO2(g)反應的平衡常數

點評

本題考查連續轉化的化學平衡常數的計算,體現了化學核心素養中的變化觀念與平衡思想,引導學生認識到化學變化的本質是伴隨一定的能量轉化,從而生成新的物質;引導學生從多角度分析化學反應,充分利用化學原理去解決實際問題.側重于化學反應速率與化學平衡的有關分析與計算,其中壓強平衡常數的計算與2013年全國卷Ⅱ第28題有類似之處.

2.3 給予總壓變量,考查Kp的計算

例3(2019年全國卷Ⅱ,節選)環戊二烯是重要的有機化工原料,廣泛用于農藥、橡膠、塑料等生產.回答下列問題:

A.通入惰性氣體

B.提高溫度

C.增加環戊烯濃度

D.增加碘濃度

解析

剛性容器內氣體的壓強與物質的量成正比,則

解得x＝0.4n,平衡時環戊烯的轉化率為

平衡時混合氣體的壓強為

混合氣體總物質的量為

平衡時各組分所占壓強分別為

該反應的平衡常數

總之,壓強平衡常數是濃度平衡常數的遷移和升級,體現了“源于教材而高于教材”的高考命題思想.只要能夠對濃度平衡常數進行靈活遷移,結合題目給予的信息,即可以順利解答.通過近3年的考查情況來看,試題非常注重情境的新穎性、關注思維的創新性以及試題的探究性,考查考生的創新意識和創新能力.題目要求考生在提取有效信息的基礎上,充分利用題目給予的反應方程式、表格或者圖形中的數據信息進行解題,加大對學生綜合分析問題能力的考查,區分度較高,有利于高校對人才的選拔.