高考中化學平衡常數(shù)的考查及解題策略

曹 艷

(安徽省泗縣第一中學 234300)

《普通高中化學課程標準(2017年版2020年修訂)》指出，要能引導學生經(jīng)歷化學平衡常數(shù)模型建構的過程，結(jié)合具體實例，促使學生體會化學平衡常數(shù)在判斷平衡狀態(tài)、反應方向、分析預測平衡移動方向等方面的功能價值.而在學業(yè)要求中，也明確指出要求學生能書寫平衡常數(shù)表達式，能進行平衡常數(shù)的簡單計算，能利用平衡常數(shù)和濃度商的關系判斷化學反應是否達到平衡及平衡移動方向.

近年來化學平衡常數(shù)在高考中所占的比例逐漸提高，化學平衡常數(shù)的考查緊扣課程標準，其考查形式有表達式書寫、定量計算，有從化學平衡常數(shù)的角度分析化學反應，也有運用化學平衡常數(shù)解決問題.考查手段靈活，能較好地測試學生分析問題、解決問題的能力，區(qū)分度較高.尤其對于化學平衡常數(shù)的計算，這部分內(nèi)容是高考化學復習備考中的難點和易錯點.高考試題既具有創(chuàng)新性，又具有繼承性，如何在2022年高考中突破化學平衡常數(shù)的這一重難點，筆者先從統(tǒng)計2021年的高考化學平常常數(shù)題入手.

1 2021年高考化學平衡常數(shù)題統(tǒng)計

2021年高考有關化學平衡常數(shù)題的統(tǒng)計見表1.

表1

續(xù)表

2 化學平衡常數(shù)的解題策略

2.1 回歸基礎，掌握化學平衡常數(shù)表達式

對于一般的可逆反應

平衡常數(shù)的表達式:

溫度一定時，K為常數(shù)，稱為化學平衡常數(shù)，簡稱平衡常數(shù).需要注意的是，對于有固體或純液體參與的反應，固體或純液體不列入K的表達式中.

例1(2021年福建，節(jié)選)化學鏈燃燒(CLC)是利用載氧體將空氣中的氧傳輸至燃料的新技術，與傳統(tǒng)燃燒方式相比，避免了空氣和燃料的直接接觸，有利于高效捕集CO2.基于CuO/Cu2O載氧體的甲烷化學鏈燃燒技術示意圖(如圖1所示).

圖1

空氣反應器與燃料反應器中發(fā)生的反應分別為：

ΔH1=-227 kJ·mol-1

4Cu2O(s)+CO2(g)+2H2O(g)

ΔH2=-348kJ·mol-1

反應②的平衡常數(shù)表達式K=____.

解析由②

4Cu2O(s)+CO2(g)+2H2O(g)

可知，CuO及Cu2O為固體，不列入平衡常數(shù)表達式，故該反應的平衡常數(shù)為：

小結(jié)本題是以化學鏈燃燒(CLC)為載體，在復雜、陌生的研究對象及問題情境下，考查化學平衡常數(shù)的表達式書寫.學生要理解化學平衡常數(shù)的含義，掌握化學平衡常數(shù)的表達式，對于可逆反應

將平衡時各物質(zhì)濃度代入可得

知道固體和純液體的濃度視為常數(shù),通常不計入平衡常數(shù)表達式中.

2.2 知識遷移，關注分壓平衡常數(shù)

分壓平衡常數(shù)是指在化學平衡體系中，對于有氣體參與的反應，用各氣體物質(zhì)平衡時的分壓替代平衡濃度計算得到的平衡常數(shù).

以可逆反應

例2(2021年全國高考真題，節(jié)選)二氧化碳催化加氫制甲醇，有利于減少溫室氣體二氧化碳.回答下列問題：

(1)二氧化碳加氫制甲醇的總反應可表示為：

該反應一般認為通過如下步驟來實現(xiàn)：

ΔH1=+41 kJ·mol-1

ΔH2=-90 kJ·mol-1

(2)合成總反應在起始物n(H2)/n(CO2)=3時，在不同條件下達到平衡，設體系中甲醇的物質(zhì)的量分數(shù)為x(CH3OH)，在t=250℃下的x(CH3OH)～p、在p=5×105Pa下的x(CH3OH)～t如圖2所示.

圖2

①用各物質(zhì)的平衡分壓表示總反應的平衡常數(shù)，表達式Kp=____；

解析先從所給信息中找出二氧化碳加氫制甲醇的總反應為

根據(jù)分壓平衡常數(shù)的含義及表達式，利用各物質(zhì)的平衡分壓表示總反應的平衡常數(shù)：

小結(jié)本題是以二氧化碳催化加氫制甲醇為載體，在復雜、陌生的研究對象及問題情境下，考查分壓平衡常數(shù)的表達式書寫，學生根據(jù)化學平衡常數(shù)的定義，將知識點遷移，用各氣體物質(zhì)平衡時的分壓替代平衡濃度，即可計算得到分壓平衡常數(shù)表達式，但需要注意的是本題涉及三個化學方程式，需要考生認真審題，按要求答題.

2.3 根據(jù)“三段式”計算濃度平衡常數(shù)

例3(2018年課標Ⅱ,27節(jié)選)CH4-CO2催化重整不僅可以得到合成氣(CO和H2),還對溫室氣體的減排具有重要意義.CH4-CO2催化重整反應為:

某溫度下,在體積為2 L的容器中加入2 mol CH4、1 mol CO2以及催化劑進行重整反應,達到平衡時CO2的轉(zhuǎn)化率是50%,其平衡常數(shù)為____mol2·L-2.

解析利用“三段式”解答:

開始/mol·L-11 0.5 0 0

轉(zhuǎn)化/mol·L-10.25 0.25 0.5 0.5

平衡/mol·L-10.75 0.25 0.5 0.5

2.4 根據(jù)“五段式”計算分壓平衡常數(shù)

(1)根據(jù)題給信息，建立濃度三段式；

(2)判斷體系中氣體總物質(zhì)的量，找出四段式；

(3)判斷體系中總壓強，確定各氣體的分壓，確定五段式.

例4(2021年湖北高考真題節(jié)選)丙烯是一種重要的化工原料，可以在催化劑作用下，由丙烷直接脫氫或氧化脫氫制備.

反應Ⅰ(直接脫氫)：

ΔH1=+125kJ·mol-1

反應Ⅱ(氧化脫氫)：

ΔH2=-118kJ·mol-1

(2)對于反應Ⅰ，總壓恒定為100kPa，在密閉容器中通入C3H8和N2的混合氣體(N2不參與反應)，從平衡移動的角度判斷，達到平衡后“通入N2”的作用是____.在溫度為T1時，C3H8的平衡轉(zhuǎn)化率與通入氣體中C3H8的物質(zhì)的量分數(shù)的關系如圖3所示，計算T1時反應Ⅰ的平衡常數(shù)Kp=____kPa(以分壓表示，分壓=總壓×物質(zhì)的量分數(shù)，保留一位小數(shù)).

圖3

解析根據(jù)圖3，C3H8的物質(zhì)的量分數(shù)為0.4時，其平衡轉(zhuǎn)化率為50%；假設混合氣體為1mol，則起始時C3H8為0.4mol，N2為0.6mol，先運用三段式法計算：

開始量/mol 0.4 0 0

變化量/mol 0.2 0.2 0.2

平衡量/mol 0.2 0.2 0.2

由于總壓恒定為100kPa，平衡時C3H8為0.2mol，C3H6為0.2mol，H2為0.2mol，N2為0.6mol，氣體的總物質(zhì)的量為0.2mol+0.2mol+0.2mol+0.6mol=1.2mol，此時可得出第四段式為氣體的百分含量值，分析體系為恒壓裝置，可判斷總壓強恒定為100kPa，則可得出第五段式為各氣體的分壓，五段式總結(jié)如下：

開始量/mol 0.4 0 0

變化量/mol 0.2 0.2 0.2

平衡量/mol 0.2 0.2 0.2

即C3H8(g)、C3H6(g)、H2(g)的分壓均為：

故T1時反應Ⅰ的平衡常數(shù)

例5(2021年遼寧高考真題節(jié)選)苯催化加氫制備環(huán)己烷是化工生產(chǎn)中的重要工藝，一定條件下，發(fā)生如下反應：

Ⅰ.主反應：

ΔH1<0

Ⅱ.副反應：

ΔH2>0

(6)恒壓反應器中，按照n(H2)∶n(C6H6)=4∶1投料，發(fā)生Ⅰ、Ⅱ反應，總壓為p0，平衡時苯的轉(zhuǎn)化率為α，環(huán)己烷的分壓為p，則反應Ⅰ的Kp=____(列出計算式即可，用平衡分壓代替平衡濃度計算，分壓=總壓×物質(zhì)的量分數(shù)).

解析恒壓反應器中，按照n(H2)∶n(C6H6)=4∶1投料，設投入的苯的物質(zhì)的量為1mol，發(fā)生Ⅰ、Ⅱ反應總壓為p0，平衡時苯的轉(zhuǎn)化率為α，環(huán)己烷的分壓為p，則：

起始量/mol 1 4 0

轉(zhuǎn)化量/mol α 3α α

平衡量/mol 1-α 4-3α α

起始量/mol α 0

轉(zhuǎn)化量/molxx

平衡量/mol α-xx

反應后平衡體系中總的物質(zhì)的量為：1-α+4-3α+α-x+x=5-3α，反應總壓為p0，故平衡時反應Ⅰ的五段式可表示為：

起始量/mol 1 4 0

變化量/mol α 3α α

平衡量/mol 1-α 4-3α α

則反應Ⅰ的平衡常數(shù)：

小結(jié)“五段式”的計算關鍵分三步，一是根據(jù)題給信息，列出準確的“三段式”；二是分析所給條件是否有其他反應產(chǎn)生的氣體或惰性氣體，找出所有氣體的總量，這關系著百分含量是否正確；三是判斷體系平衡時總壓強，恒壓表示前后氣體壓強不變，可直接計算，如果是恒容，需要根據(jù)體系前后氣體物質(zhì)的量和壓強是正比進行計算.