多重平衡體系計算題例析

邊永平

(河北省豐寧滿族自治縣第一中學 068350)

有關化學平衡的計算題，在考查化學平衡基本理論的基礎上，重在考查學生的證據推理與模型認知的學科核心素養.多重平衡體系是指在相同的條件下，在同一容器中，同時建立多個化學平衡體系.各個平衡之間因具有某些相同的組分而相互關聯和制約.當改變外界條件時，對各個平衡的影響程度常常不同，致使某些量的變化趨勢有所不同，甚至完全相反.

現舉數例有關多重平衡體系的計算題，并作淺析.

1 計算壓強常數

例1 (2021年全國乙卷28題，節選) 氯鉑酸鋇(BaPtCl6)固體加熱時部分分解為BaCl2、Pt和Cl2，376.8℃時平衡常數KP=1.0×104Pa2.在一硬質玻璃燒瓶中加入過量BaPtCl4，抽真空后，通過一支管通入碘蒸氣(然后將支管封閉).在376.8℃，碘蒸氣初始壓強為20.0kPa.376.8℃平衡時，測得燒瓶中壓強為32.5kPa，則p(ICl)=____kPa，反應

的平衡常數Kp=____(列出計算式即可).

解析根據題意，BaPtCl6固體加熱時分解反應為：

該反應的平衡常數

Kp=p2(Cl2)=1.0×104Pa2

由此可求得平衡時

p(Cl2)=100Pa=0.1 kPa

容器中還同時發生另一個可逆反應：

此反應和上述平衡同時發生，既相互依存又相互制約.特別是Cl2，兩個平衡中同時存在，但平衡后，p(Cl2)=0.1 kPa是不變的.

設參加反應的I2(g)為xkPa，列出三段式：

起始/kPa 20 0

轉化/kPaxx2x

平衡/kPa 0.1 20-x2x

由題意有：0.1+20-x+2x=32.5

解得x=12.4kPa

平衡時p(ICl)=2x=24.8kPa,p(I2)=20-x=7.6 kPa.

因此，平衡時各物質的分壓分別為：

p(Cl2)=0.1 kPa

p(I2)=20-x=7.6 kPa

p(ICl)=2x=24.8kPa

則反應

的平衡常數

Kp=[p(Cl2)·p(I2)]/p2(ICl)

答案見解析過程.

2 計算分壓和濃度比

例2 在石油加工過程中，常利用裂解的手段獲得短鏈烯烴.例如，將戊烷進行催化裂解，同時發生以下三個反應：

為研究上述平衡體系間的關系，向某反應容器中加入3.0mol C(CH3)4,控制溫度為600K，壓強為10MPa，達到平衡后，CH3CH2CH2CH2CH3和CH2=CHCH3的物質的量均為1.0 mol.

(1)求平衡體系中C(CH3)4的分壓為____MPa.

(2)反應Ⅰ的平衡常數Kx(用物質的量分數表示平衡常數Kx)為____.

(3)同溫同壓下，若再向該平衡體系中充入一定量的稀有氣體He，則反應Ⅲ的化學平衡將____(填“正向移動”“逆向移動”或“不移動”).平衡時，c(CH3CH2CH2CH2CH3)∶c[C(CH3)4]=____..

解析依題意，依次建立下面兩個平衡：

起始量/mol 3 0 0

反應/mol 2 2 2

平衡量/mol 1 2 2

起始量/mol 2 2 0

反應/mol 1 1 1

平衡量/mol 1 1 1

(1)由于是恒壓條件，即平衡時總壓仍為10MPa，則平衡體系中C(CH3)4的分壓為：

=2.5MPa

(3)同溫同壓下，若再向該平衡體系中充入一定量的稀有氣體He，會使原平衡體系的體積增大，則對原平衡來說即相當于減壓操作，根據反應Ⅲ的特點，減壓時，平衡將向氣體分子數增加的方向即正反應方向移動.由于溫度不變，則反應Ⅰ的平衡常數不變，則c(CH3CH2CH2CH2CH3)∶c[C(CH3)4]與原平衡相同，即c(CH3CH2CH2CH2CH3)∶c[C(CH3)4]=1.

答案見解析過程.

3 根據轉化率確定反應物

例3 為了實現碳中和、碳達峰的節能減排目標，溫室氣體的轉化利用成為全球研究的熱點.將CH4和CO2進行重整，可以發生如下兩個反應：

一定條件下，向容積為VL的密閉容器中充入CH4、CO2各1.0mol,在有催化劑時發生上述兩個反應.測得不同溫度下達平衡時各反應物的轉化率見表1.

表1

回答下列問題：

(1)表中a和b分別代表的反應物是____和____；相同溫度下，轉化率b高于a的原因是____.

(2)900℃時，56min達平衡，則0～56min CH4的平均反應速率為____.

(3)900℃時，反應②的平衡常數K=____.

解析(1)觀察兩個反應的化學方程式可知：

由于反應①等量消耗CH4和CO2，而反應②又消耗CO2，并且起始時CH4和CO2按1∶1投入，因此CO2的轉化率要高于CH4，即表中a和b分別代表的反應物是CH4和CO2.

(2)根據900℃時的數據，列出下面計算過程：

起始量/mol 1 1 0 0

反應/mol 0.56 0.56 1.12 1.12

平衡量/mol 0.44 0.44 1.12 1.12

起始量/mol 0.44 1.12 1.12 0

反應/mol 0.22 0.22 0.22 0.22

平衡量/mol 0.22 0.9 1.34 0.22

所以CH4的平均反應速率為：

(3)900℃時，反應②的平衡常數

答案見解析過程.