談2020年高考全國Ⅲ卷化學第28題平衡常數Kp的計算方法

王向軍

[摘? ?要]每年高考化學試題都會涉及化學計算問題，很好地考查了學生化學學習水平及思維能力，還考查了評價體系中的核心價值、學科素養、關鍵能力、必備知識，符合課程標準中學業質量水平要求。

[關鍵詞]高考化學;平衡常數;計算方法

[中圖分類號]? ? G633.8? ? ? ? [文獻標識碼]? ? A? ? ? ? [文章編號]? ? 1674-6058（2021）17-0075-03

2020年全國高考受疫情影響，試題的總體難度較往年有所下降，但試題設計仍體現了高考改革的總體思路，遵循高考評價體系內容，體現學科核心素養內涵，符合高校選拔人才的要求。化學計算是高考必考內容，2020年高考全國Ⅲ卷涉及計算的內容有6處，有2處是有關平衡常數的計算（或表達式），其中第28題考查了教材中沒有出現的壓強平衡常數的計算。在研究該試題后對照給出的參考答案，筆者從不同角度思考得出多種表達方式，現表述如下。

一、KP的定義

在化學平衡體系中，用各氣體物質的分壓替代濃度來計算的平衡常數叫壓強平衡常數（[Kp]）。以方程式[aA（g）+bB（g） ][ ] [cC（g）+dD（g）]為例。其[Kp]的表達式為：

[Kp=pcC×pdDpaA×pbB]

【真題再現：2020年高考全國Ⅲ卷第28題節選】

28.二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0.1 MPa，反應達到平衡時，四種組分的物質的量分數x隨溫度T的變化如圖1所示。

（3）根據圖1中點A（440 K，0.39），計算該溫度時反應的平衡常數Kp=（MPa）?3（列出算式，以分壓表示，分壓=總壓×物質的量分數）。

其中第（3）問是求體系內壓強平衡常數的表達式，給出的參考答案是：[94×10.0393] 或[0.394×0.3940.396×0.3932×10.13] 。

除參考答案之外，筆者認為以下幾種計算方式得出的表達式也是正確的。

二、解題思路

在化學平衡計算中，通常傳授給學生的解題思路基本都是“三段式”法。

第1步，根據化學反應方程式，依次列出反應中各物質的起始量、變化量、平衡量。根據反應方程式中的系數關系計算出平衡體系中各物質的物質的量或物質的量濃度。

第2步，計算體系中各組分的物質的量分數或體積分數。

第3步，根據分壓計算公式求出體系中各氣體物質的分壓，其計算方法為：某氣體的分壓=氣體總壓強×該氣體的體積分數（或物質的量分數）。

第4步，代入平衡常數計算公式計算得出結果。

當然我們也可以根據試題中給出數據的實際情況，多角度進行思考，從不同的切入點出發，得出不一樣的表達結果。下面是筆者從兩個不同的視角得出的不同結果。

（一）三段式法

1.根據化學方程式列式，設CO2的轉化量為x。

2CO2（g）+6H2（g）[ ]C2H4（g）+4H2O（g）

起始物質的量? ? ? ?1? ? ? ? ? ? ? ?3? ? ? ? ? ? ? ? ? ?0? ? ? ? ? ? ? 0

轉化物質的量? ? ? ?x? ? ? ? ? ? ? 3x? ? ? ? ? ? ? ? ?x/2? ? ? ? ? ? 2x

平衡物質的量? ? ?1-x? ? ? ? ? 3-3x? ? ? ? ? ? ? ?x/2? ? ? ? ? ? 2x

由A點H2O的物質的量分數得：[2x4-32x= 0.39]

解得[x=312517]

所以壓強平衡常數也可以表示為：

[KP= 312517×124-32×312517×0.1 × 2×312574-32×312517×0.141-3125174-32×312517×0.12×? 3-3×3125174-32×312517×0.16? ?（MPa）-3]

2.根據化學方程式列式，設C2H4的生成量為x。

2CO2（g）+6H2（g）[ ]C2H4（g）+4H2O（g）

起始物質的量? ? 1? ? ? ? ? ? ? ? ? 3? ? ? ? ? ? ? ? ? ?0? ? ? ? ? ? ?0

轉化物質的量? ? 2x? ? ? ? ? ? ? ? 6x? ? ? ? ? ? ? ? ? x? ? ? ? ? ? ?4x

平衡物質的量? ?1-2x? ? ? ? ? ?3-6x? ? ? ? ? ? ? ? x? ? ? ? ? ? ?4x

由A點H2O的物質的量分數得：[4x4-3x = 0.39]

解得[x=156517]

所以壓強平衡常數也可以表示為：

[KP=1565174-3×156517×0.1 × 4×1565174-3×156517×0.141-2×1565174-3×156517×0.12×? 3-6×1565174-3×156517×0.16? ? （MPa）-3]

（二）比例關系式法

根據題意可以得出反應方程式為： 2CO2（g）+ 6H2（g） [ ] C2H4（g）+ 4H2O（g）。題干給出n（CO2）∶n（H2）=1∶3正好是方程式反應物系數之比，所以不管反應進行到何種程度，剩下的n（CO2）和n（H2）之比總是1∶3，生成的n（C2H4）和n（H2O）之比總是1∶4。從圖1可以看出A點正好是H2O和H2曲線的交叉點，物質的量分數都是0.39，這樣可以得出CO2和C2H4的物質的量分數分別為：[0.393]、[0.394];總壓強不變，是0.1 MPa。因此可以得出各氣體的分壓分別為：

[pCO2=0.393×0.1] MPa

[pH2=0.39×0.1] MPa

[pC2H2=0.394×0.1] MPa

[pH2O=0.39×0.1] MPa

代入公式得

[KP=0.39×0.14×0.394×0.10.39×0.16×0.393×0.12] （MPa）-3

因為四種氣體物質的量分數總和等于1，可以衍生出以下結果：

1.如果CO2的物質的量分數表示為[0.393]，則C2H4的物質的量分數也可以表示為[1-0.39-0.39-0.393]，所以壓強平衡常數也可以表示為：

[KP=0.39×0.14×1-73×0.39×0.10.39×0.16×0.393×0.12] （MPa）-3

2.如果C2H4的物質的量分數表示為[0.394]，則CO2的物質的量分數也可以表示為[1-0.39-0.39-0.394]，所以壓強平衡常數也可以表示為：

[KP=0.39×0.14×0.394×0.10.39×0.16×1-94×0.39×0.12] （MPa）-3

3.如果C2H4和CO2的物質的量分數總量表示為（1-0.39-0.39），由題不難得出剩余的CO2和C2H4的物質的量之比為4∶3，則CO2的物質的量分數也可以表示為[0.22×47]，則C2H4的物質的量分數也可以表示為[0.22×37]，所以壓強平衡常數也可以表示為：

[KP=0.39×0.14×0.22×37×0.10.39×0.16×0.22×47×0.12] （MPa）-3

4.如果C2H4的物質的量分數表示為[0.394]，則CO2的物質的量分數也可以表示為[0.22-0.394=0.494]，所以壓強平衡常數也可以表示為：

[KP=0.39×0.14× 0.39 4×0.10.39×0.16× 0.49 4×0.12] （MPa）-3

5.如果CO2的物質的量分數表示為[0.393]，則C2H4的物質的量分數也可以表示為[0.22-0.393=0.273]，所以壓強平衡常數也可以表示為：

[KP=0.39×0.14×0.273×0.10.39×0.16×0.393×0.12] （MPa）-3

6.如果用各物質的物質的量之比表示則為：

n（CO2）∶n（H2）∶n（C2H4）∶n（H2O）=[ 0.394]∶0.39∶[0.394]∶0.39 = 3∶12∶4∶12

所以壓強平衡常數也可以表示為：

[KP=123+12+4+12×0.14×33+12+4+12×0.1123+12+4+12×0.16×43+12+4+12×0.12]

[=1231×0.14×331×0.11231×0.16×431×0.12] （MPa）-3

三、考查知識點及對教學的指導作用

《普通高中化學課程標準（2017年版）》中的學業要求：能書寫平衡常數表達式，能進行平衡常數、轉化率的簡單計算，能利用平衡常數和濃度商的關系判斷化學反應是否達到平衡及平衡移動的方向。

本題主要從溫度對化學平衡的影響以及平衡常數的計算等方面，考查學生對化學平衡基本原理的理解和應用，同時要求學生關注信息獲取、圖像加工和處理能力及邏輯思維能力的培養，考查的知識點符合高考評價體系中的基礎性、應用性、創新性。解題時首先要分析反應的特征和反應條件，如是恒溫恒容還是恒溫恒壓反應;其次要分析化學平衡狀態的建立過程，然后逐步分析試題中所設計的平衡量，按照平衡計算的“三段式”法，分析平衡狀態下的相關數據。同時，題中沒有給出用分壓表示平衡常數的公式，說明可以用平衡分壓代替平衡濃度求算平衡常數，壓強平衡常數表達式與濃度平衡常數表達式相同，即生成物平衡濃度冪的乘積比反應物平衡濃度冪的乘積。

本題符合學業質量水平考查要求，但又高于學業要求，考查了學生的知識遷移能力。可見，教師在課堂教學中不能一成不變地守著書本知識，要引導學生對相關知識進行拓展，拓寬視野;同時在傳授知識時要注意對知識進行建模，為學生提供學習方法和技巧。

（責任編輯 羅 艷）