全面剖析高頻考點化學平衡常數的計算

湖北 張莉華 楊世全

化學平衡常數是化學平衡模塊中的一個重要知識點，為電離平衡、水解平衡、沉淀的溶解平衡等理論的學習奠定了基礎。化學平衡常數的應用與日常生產生活聯系也十分緊密，如判斷反應進行的程度、判斷反應的熱效應、計算反應物的轉化率、指定物質的百分含量等，同時也對實際生產條件的選擇和控制有指導作用。在《普通高中化學課程標準(2017年版2020年修訂)》背景下，高考命題由“知識立意、能力立意”的理念向“價值引領、素養導向、能力為重、知識為基”的理念轉變。因此化學平衡常數作為考查學生的知識能力水平的載體，成為了近幾年全國各地高考的熱門考點。

1.2021年高考化學平衡常數的考查統計

2021年高考已公布的化學學科試卷共有14套，筆者通過分析發現全國各省市的考題中均有對化學平衡常數的考查，其已成為了高考必考點，考查的試題情境也變得愈發新穎多樣。具體考查內容統計如表1所示。

2.2021年高考化學平衡常數計算的考查熱點

通過表1的考點匯總結果來看，2021年高考化學試題中與平衡常數計算相關的考查形式較為多樣。具體考查熱點見表2所示。

表2 與平衡常數計算相關的考查熱點

表1中數據顯示2021年全國各省市高考題中，平衡常數計算共計出現8次，可見化學平衡常數的計算是考查熱點之一，且計算的考查形式也在不斷地推陳出新。分析其余的考查角度，不難發現其余考查角度的計算問題都是圍繞平衡常數進行的，因此平衡常數的計算是解答化學反應原理計算問題的核心，是高考考查的核心知識點。高考試題以“核心價值、學科素養、關鍵能力、必備知識”為考查內容，以平衡常數知識為載體，利用不同的問題情境，通過增設信息線索涵蓋了“四層”中的不同層面，實現對平衡常數知識的考查和對學生綜合能力的考查。筆者通過經典試題再現，總結平衡常數計算的有效解題策略，為2022年高考備考提供參考。

3.平衡常數計算的解題策略與典例分析

3.1 單一反應平衡常數的計算

【解題策略】在解決單一可逆反應平衡常數計算問題時，要注意以下幾個方面：

①關注體系為恒壓體系還是恒容體系，模型如圖1所示：

圖1 單一平衡下的K的計算解題模型

②關注體系中是否充有不參與反應的氣體(如N2或稀有氣體等)，在恒壓體系中列三段式時可不考慮這類氣體，但計算總氣體物質的量時要考慮將其加入。

③看清題目要求是寫K的表達式(只用物質化學式相關的表示)還是寫計算式(只列算式不計算)，又或是書寫計算結果，看清題目是只要寫數值，還是數值單位均要寫。

【典例】

(1)恒壓體系

【例1】(2021·湖北省選擇性考試·19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。

(2)對于反應Ⅰ，總壓恒定為100 kPa，在密閉容器中通入C3H8和N2的混合氣體(N2不參與反應)，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2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2

【參考答案及解析】根據圖2，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1 mol，則起始時C3H8為0.4 mol，N2為0.6 mol，運用三段式法計算：

起始量/mol 0.4 0 0

轉化量/mol 0.2 0.2 0.2

平衡量/mol 0.2 0.2 0.2

(2)恒容體系

圖3

若平衡時體系內壓強為p0，b點時反應的平衡常數Kp=________(kPa)-1(以分壓表示)

【參考答案及解析】溫度不變，則b點和c點的Kp相等，先由差量法求出初始總壓為1.2p，再根據圖3中信息，c點的n(H2)∶n(CO2)=2∶1，由于該體系為恒容體系，故初始兩物質的壓強比也是2∶1，則p(H2)=0.8p0，p(CO2)=0.4p0，依據三段式列式計算：

起始量/kPa 0.4p00.8p00 0

轉化量/kPa 0.2p00.4p00.2p00.2p0

平衡量/kPa 0.2p00.4p00.2p00.2p0

【誤區警示】在例1中學生答題時的常見錯誤有兩個：①計算氣體的總物質的量時忘記將N2算入平衡時氣體的總物質的量中，導致算出Kp=33.3 kPa。②認為初始時總壓為100 kPa，C3H8占40%，則為40 kPa，從而利用壓強數據直接代入三段式，計算平衡時各個物質的壓強，導致得出錯誤答案Kp=20 kPa。在例2中常見錯誤類型是思維固化，認為只要求Kp就想利用三段式求解平衡時各個物質的物質的量分數，進而求分壓，忽略了此題是恒容體系，壓強是一直在變化的。

3.2 多重平衡常數的計算

【解題策略】遇到多重平衡體系，需厘清多個反應之間的關系，若前一步反應的生成物繼續參加第二步反應，這一類反應屬于連續型反應。若多步反應之間是平行關系也是相互競爭關系，這一類屬于競爭型反應。無論哪一類多重平衡，常用解題方法主要有列三段式法或元素守恒法，其中列三段式法屬于解決平衡計算類問題的常規方法，但是針對不同類型的多重平衡反應，列三段式時要合理分析過程，找準突破口。而元素守恒法不考慮中間過程，只注重結果，計算起來更為方便。具體解題模型如圖4所示。

圖4 多重平衡下K的計算解題模型

(1)連續型

【例3】(2019·天津卷·7節選)在1 L真空密閉容器中加入amol PH4I固體，t℃時發生如下反應：

達平衡時，體系中n(HI)=bmol，n(I2)=cmol，n(H2)=dmol，則t℃時反應①的平衡常數K值為________(用字母表示)。

【參考答案及分析】該反應的體系中有三個連續發生的可逆反應，在平衡體系已知的物質里，只有I2是第③個反應生成的，其余反應都沒有I2的參與。因此此題的突破口是I2，并依次確定計算反應①平衡常數所需要的其他物質。

方法一：三段式法

方法二：元素守恒法

只考慮物質的始態和終態，不考慮中間過程，使用元素守恒計算平衡態各物質的物質的量，具體思維如圖5所示。

圖5 元素守恒法計算思路

(2)競爭型

【例4】(2020·山東卷·18節選)探究CH3OH合成反應化學平衡的影響因素，有利于提高CH3OH的產率。以CO2、H2為原料合成CH3OH涉及的主要反應如下：

(2)一定條件下，向體積為VL的恒容密閉容器中通入1 mol CO2和3 mol H2發生上述反應，達到平衡時，容器中CH3OH(g)為amol，CO為bmol，反應Ⅲ的平衡常數為________(用含a、b、V的代數式表示)。

【參考答案及分析】方法一：三段式法

對3個競爭反應進行分析，發現反應②+③=①，因此三個反應之間的關系可以用圖6表示，可知生成甲醇目標產物的反應可視為主反應，生成CO的反應中未轉化為甲醇的反應可視為副反應。

圖6 主副反應的分類圖示

初始量/mol： 0 0

變化量/mol：a3aaa

平衡量/mol：a

初始量/mol： 0 0

變化量/mol：bbbb

平衡量/mol：b

反應Ⅲ中各氣體的物質的量為

方法二：元素守恒法

圖7 元素守恒法計算思路

【誤區警示】學生在計算解決此類多重平衡問題時，容易把平衡濃度帶錯，注意理解化學平衡常數計算中的濃度均指混合體系中該物質最終達到平衡時的濃度，而不是某一個反應平衡時的濃度。在混合體系中即便所求物質同時參加多個反應，最終的平衡濃度也只有一個。

3.3 新型平衡常數的計算

【解題策略】

(1)辨析不同類型的平衡常數

(2)無論求解何種形式的平衡常數均可以按照以下思路解題：列三段式→利用新概念改變K的表達式→求解。

圖8 平衡常數的分類

【典例分析】

【例5】(2021·山東省學業水平等級性考試·20節選)2-甲氧基-2-甲基丁烷(TAME)常用作汽油添加劑。在催化劑作用下，可通過甲醇與烯烴的液相反應制得，體系中同時存在如下反應：

為研究上述反應體系的平衡關系，向某反應容器中加入1.0 mol TAME，控制溫度為353 K，測得TAME的平衡轉化率為α。已知反應Ⅲ的平衡常數Kx3=9.0，則反應 Ⅰ的平衡常數Kx1=________(Kx是以物質的量分數表示的平衡常數)

變化量/molxxx

變化量/mol 9x9x9x

TAME共消耗了αmol，則x+9x=αmol，x=0.1αmol，平衡時n(TAME)=(1-α) mol，n(A)=0.1αmol，n(B)=0.9αmol，n(CH3OH)=αmol，一共有氣體n(總)=1-α+0.1α+0.9α+α=(1+α) mol

【誤區警示】對于新情境下的平衡常數的求解，不要形成思維定式，更不要被試題形式嚇得丟盔棄甲。一定要仔細揣摩題目所給的新信息，理解新平衡常數的表示方法，防止出現盲目遷移。

4.復習備考建議

(1)構建概念圖，梳理必備知識

圖9 化學平衡常數知識概念圖

(2)善于總結，培養關鍵能力