核心素養理念下的化學平衡常數計算命題特點探析

河北 李子春 袁 穎

《普通高中化學課程標準(2017年版2020年修訂)》對化學平衡常數的考查要求較高，要求學生“能書寫”平衡常數，“能進行”平衡常數和轉化率的計算，“能利用”平衡常數與濃度商的關系判斷反應是否達到平衡及平衡移動的方向，這“三能”是學生必備的關鍵能力。化學平衡常數計算考查學生的“歸納與論證”能力，是新高考的熱點題型。

一、化學平衡常數的考查內容分析

化學平衡常數是化學平衡理論的核心概念，命題特點是通過生產生活或學術探索情境，培養學生的學科核心素養。考查的目標是創設可逆反應并通過數據計算論證可逆反應是否達到平衡、平衡移動的方向、組分的平衡濃度。近三年高考和2021年1月5省適應性考試的考查內容如表1所示：

表1

續表

二、化學平衡常數的考查形式分析

近三年高考和2021年1月5省適應性考試情境創設均聚焦在平衡體系的創設上，情境可分為單一反應體系、連續反應體系和平行反應體系，而求解平衡常數的公式通常用濃度或壓強來表示。

1.創設單一反應體系情境，凸顯知識的基礎性

要掌握化學平衡常數的計算問題，首先建立反應體系，從題干數據入手進行歸納和論證，從而找到解決平衡常數計算的依據和方法。

【例1】(2019·全國卷Ⅲ·28節選)近年來，隨著聚酯工業的快速發展，氯氣的需求量和氯化氫的產出量也隨之迅速增長。因此，將氯化氫轉化為氯氣的技術成為科學研究的熱點。回答下列問題：

圖1

可知反應平衡常數K(300℃)________(填“大于”或“小于”)K(400℃)。設HCl初始濃度為c0，根據進料濃度比c(HCl)∶c(O2)=1∶1的數據計算K(400℃)=________(列出計算式)。

【情境創設】本題的反應體系由單一反應構建，通過列三段式可求出物質的平衡濃度。

【數據論證】根據化學方程式可知，HCl的平衡轉化率越大，平衡常數越大，結合圖像可知，升高溫度，HCl的平衡轉化率降低，說明升高溫度平衡向逆移，則K(300℃)>K(400℃)；由圖像知，400℃時，HCl的平衡轉化率為84%，通過列三段式對數據進行處理：

2Cl2(g)+2H2O(g)

起始濃度c0c00 0

變化濃度 0.84c00.21c00.42c0

0.42c0

平衡濃度(1-0.84)c0(1-0.21)c00.42c0

0.42c0

【模型構建】依據原料的起始量和轉化量計算各組分的平衡濃度，可構建如下思維模型：

圖2

2.創設多反應體系情境，凸顯能力的綜合性

創設多反應體系情境將平衡常數計算的難度增大，而解決該問題的關鍵是理清反應次序關系和數據關系。

【例2】(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：

回答下列問題：

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，此時H2O(g)的濃度為________mol·L-1(用含a、b、V的代數式表示，下同)，反應Ⅲ的平衡常數為________。

【情境創設】本題為平行反應體系，解決問題的關鍵為理清各種物質量的關系，確定了平衡的濃度，即可進行計算。

【數據論證】假設反應Ⅱ中，CO反應了xmol，則反應Ⅱ中生成的CH3OH為xmol，反應Ⅰ生成的CH3OH為(a-x) mol，反應Ⅲ生成的CO為(b+x) mol，根據：

(a-x) mol 3(a-x) mol (a-x) mol (a-x) mol

xmol 2xmolxmol

(b+x) mol (b+x) mol (b+x) mol (b+x) mol

【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)。

【情境創設】本題的反應體系為連續反應體系，解決問題的關鍵為尋找每種物質的最終平衡量，即容器中每一種微粒平衡時的濃度只有一個。

【模型構建】依據反應確定化學反應平衡的體系，理清反應次序，確定體系達到平衡時各微粒的轉化關系，由此計算化學平衡常數。

3.創設信息遷移情境，凸顯現場學習能力

近幾年高考試題素材新穎，通過給出公式或定義式考查學生現場學習能力和運用知識解決問題的能力。該角度由表1可看出已成為近幾年命題的熱點，著重考查學生現場學習能力。

圖3

圖4

將組成(物質的量分數)為2m% SO2(g)、m% O2(g)和q% N2(g)的氣體通入反應器，在溫度t、壓強p條件下進行反應。平衡時，若SO2轉化率為α，則SO3壓強為________，平衡常數Kp=________(以分壓表示，分壓=總壓×物質的量分數)。

【情境創設】在恒壓條件下計算各氣體組分的平衡分壓，計算各組分的物質的量分數是必要的條件。

【數據論證】根據反應的化學方程式，運用平衡計算的方法，設起始總的物質的量為1 mol，可以列出以下關系(為簡化，單位略寫)：

化學計量數： 1 0.5 1

起始量： 2m%m% 0

轉化量： 2m%αm%α2m%α

平衡量： 2m%-2m%αm%-m%α2m%α

【例5】(2018·全國卷Ⅰ·28節選)F.Daniels等曾利用測壓法在剛性反應器中研究了25℃時N2O5(g)分解反應：

2N2O4(g)

其中NO2二聚為N2O4的反應可以迅速達到平衡。體系的總壓強p隨時間t的變化如表所示(t=∞時，N2O5(g) 完全分解)：

t/min040801602601 3001 700∞p/kPa35.840.342.545.949.261.262.363.1

【答案】13.4

【情境創設】體系總壓隨反應進行發生變化，反應達到平衡時，根據各組分的壓強，計算平衡常數。

初始壓強/kPa 0 71.6

轉化壓強/kPax2x

平衡壓強/kPax71.6-2x

【模型構建】若為可變壓強的條件，要利用物質的量比等于壓強比求平衡總壓；若為恒壓條件，直接利用物質的變化量分數進行解答。此題的關鍵點為通過分壓定義式進行計算，題干中給出的平衡分壓定義需要學生現場學習，因此要培養學生現場遷移應用的能力。

三、原創展示，剖析化學平衡常數計算的命題特點

試題情境聚焦在平衡建立的體系上，情境可分為單一反應體系、連續反應體系和平行反應體系。計算平衡常數時可以用濃度或壓強表達，試題通常以兩種體系進行考查：容器壓強隨反應進行不變的體系；容器壓強隨反應進行可變的體系；多角度考查學生歸納與論證能力。

【原創題】氫能源屬于二次能源，目前從石化資源中制取氫氣是滿足人們氫能需求的主要途徑。其中水煤氣變換反應在氫氣生產環節中占有重要地位，每年有超過4千億立方米的氫氣由該反應產生：

回答下列問題：

水煤氣變換反應的機理被廣泛研究，相關研究者認為其按以下步驟進行：

①平衡常數K可用于表示反應體系中氣體物質的分壓表示，即K表達式中用平衡分壓代替平衡濃度，分壓=總壓×物質的量分數。寫出水煤氣變換反應的平衡常數Kp的表達式：____________________。

②在一定溫度，100 kPa下，將等物質的量的CO和H2O(g)充入2 L恒容密閉容器中發生反應，達到平衡時測得HCOOH與CO2的壓強之比為1∶3，CO的轉化率為40%，則反應Ⅰ的平衡常數Kp=________ (kPa)-1。

【情境創設】試題以新能源研發過程涉及的平衡理論為命題點，要求學生理解“水煤氣變換反應”的反應機理，理清反應順序，能計算化學平衡常數。

【識別證據】讀懂設問①的語言與概念，聯想平衡常數Kp的表達式。理解恒容條件下CO和H2O連續反應變化的規律，通過遷移化學平衡常數定義解決問題。

起始 /molaa0

變化 /mol 0.4a0.4a0.4a

平衡 /mol 0.6a0.6a0.4a

考慮到反應Ⅱ的發生，設在反應過程中HCOOH的物質的量變化為xmol，可列出三段式：

起始 /mol 0.4a0 0

變化 /molxxx

平衡 /mol 0.4a-xxx

四、結束語