高考中化學平衡常數的考查及解題策略

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，要能引導學生經歷化學平衡常數模型建構的過程，結合具體實例，促使學生體會化學平衡常數在判斷平衡狀態、反應方向、分析預測平衡移動方向等方面的功能價值.而在學業要求中，也明確指出要求學生能書寫平衡常數表達式，能進行平衡常數的簡單計算，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方向.

近年來化學平衡常數在高考中所占的比例逐漸提高，化學平衡常數的考查緊扣課程標準，其考查形式有表達式書寫、定量計算，有從化學平衡常數的角度分析化學反應，也有運用化學平衡常數解決問題.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，區分度較高.尤其對于化學平衡常數的計算，這部分內容是高考化學復習備考中的難點和易錯點.高考試題既具有創新性，又具有繼承性，如何在2022年高考中突破化學平衡常數的這一重難點，筆者先從統計2021年的高考化學平常常數題入手.

1 2021年高考化學平衡常數題統計

2021年高考有關化學平衡常數題的統計見表1.

表1

續表

2 化學平衡常數的解題策略

2.1 回歸基礎，掌握化學平衡常數表達式

對于一般的可逆反應

平衡常數的表達式:

溫度一定時，K為常數，稱為化學平衡常數，簡稱平衡常數.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，不列入平衡常數表達式，故該反應的平衡常數為：

小結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，考查化學平衡常數的表達式書寫.學生要理解化學平衡常數的含義，掌握化學平衡常數的表達式，對于可逆反應

將平衡時各物質濃度代入可得

知道固體和純液體的濃度視為常數,通常不計入平衡常數表達式中.

2.2 知識遷移，關注分壓平衡常數

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

以可逆反應

例2(2021年全國高考真題，節選)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：

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的量分數為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用各物質的平衡分壓表示總反應的平衡常數，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

根據分壓平衡常數的含義及表達式，利用各物質的平衡分壓表示總反應的平衡常數：

小結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，考查分壓平衡常數的表達式書寫，學生根據化學平衡常數的定義，將知識點遷移，用各氣體物質平衡時的分壓替代平衡濃度，即可計算得到分壓平衡常數表達式，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“三段式”計算濃度平衡常數

例3(2018年課標Ⅱ,27節選)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的轉化率是50%,其平衡常數為____mol2·L-2.

解析利用“三段式”解答:

開始/mol·L-11 0.5 0 0

轉化/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“五段式”計算分壓平衡常數

(1)根據題給信息，建立濃度三段式；

(2)判斷體系中氣體總物質的量，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的平衡轉化率與通入氣體中C3H8的物質的量分數的關系如圖3所示，計算T1時反應Ⅰ的平衡常數Kp=____kPa(以分壓表示，分壓=總壓×物質的量分數，保留一位小數).

圖3

解析根據圖3，C3H8的物質的量分數為0.4時，其平衡轉化率為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

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

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，發生Ⅰ、Ⅱ反應，總壓為p0，平衡時苯的轉化率為α，環己烷的分壓為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×物質的量分數).

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

起始量/mol 1 4 0

轉化量/mol α 3α α

平衡量/mol 1-α 4-3α α

起始量/mol α 0

轉化量/molxx

平衡量/mol α-xx

反應后平衡體系中總的物質的量為：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：

小結“五段式”的計算關鍵分三步，一是根據題給信息，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，需要根據體系前后氣體物質的量和壓強是正比進行計算.