多重平衡體系計算題例析

摘要：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.

關鍵詞：多重平衡;計算;高中化學

中圖分類號：G632文獻標識碼：A文章編號：1008-0333（2022）13-0117-03

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

2IClCl2（g）+I2（g）

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：

BaPtCl6（s）BaCl2（s）+ Pt（s）+ 2Cl2（g）

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：

Cl2（g）+ I2（g）2ICl（g）

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x kPa，列出三段式：

Cl2（g）+I2（g）2ICl（g）

起始/kPa200

轉化/kPaxx2x

平衡/kPa0.120-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

2IClCl2（g）+I2（g）

的平衡常數

Kp=＼[p（Cl2）·p（I2）＼]/p2（ICl）=0.1×7.624.82.

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：

（1）CH3CH2CH2CH2CH3（g）C（CH3）4（g）

（2）CH3CH2CH2CH2CH3（g）CH2

CHCH3（g）+CH3CH3（g）

（3）C（CH3）4（g）

CH2CHCH3（g）+CH3CH3（g）

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：C（CH3）4（g）CH2CHCH3（g）+CH3CH3（g）

起始量/mol300

反應/mol222

平衡量/mol122

CH2CHCH3（g）+CH3CH3（g）CH3CH2CH2CH2CH3（g）起始量/mol220

反應/mol111

平衡量/mol111

即達平衡時，容器內：CH3CH2CH2CH2CH3、C（CH3）4、

CH2CHCH3、 CH3CH3 四種物質的物質的量均為1.0mol，則：

（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：

p＼[C（CH3）4＼]=p（總）×14=10×14

=2.5MPa

（2）因平衡體系中CH3CH2CH2CH2CH3和C（CH3）4的物質的量分數均為14，故反應Ⅰ的平衡常數為：

Kx=1414=1

（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：

①CH4（g）+CO2（g）2CO（g）+2H2（g）

②CO2（g）+ H2（g） CO（g）+H2O（g）

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.

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：

CH4（g）+CO2（g）2CO（g）+2H2（g）

起始量/mol1100

反應/mol0.560.561.121.12

平衡量/mol0.440.441.121.12

CO2（g）+H2（g）CO（g）+H2O（g）

起始量/mol

0.441.121.120

反應/mol0.220.220.220.22

平衡量/mol0.220.91.340.22

所以CH4的平均反應速率為：

0.56V56=0.01V mol/（L·min）

（3）900℃時，反應②的平衡常數

K=1.34V·0.22V0.22V·0.9V=6745

答案見解析過程.

參考文獻：[1] 北京天利考試信息網.五年高考真題匯編詳解·綜合＼[M＼].拉薩：西藏人民出版社，2021.

[責任編輯：季春陽]

收稿日期：2022-02-05

作者簡介：邊永平（1971-），男，河北省承德豐寧人，本科，中學一級教師，從事高中化學教學研究.[FQ）]