高考中化學(xué)平衡常數(shù)的考查及解題策略

摘要：化學(xué)平衡常數(shù)在高考中所占的分量逐漸提高，高考化學(xué)復(fù)習(xí)備考中的難點(diǎn)和易錯(cuò)點(diǎn).從2021年的高考化學(xué)平衡常數(shù)題進(jìn)行分析命題特點(diǎn)，并從四個(gè)方面總結(jié)化學(xué)平衡常數(shù)的考查方式和解題策略.

關(guān)鍵詞：高考題;化學(xué)平衡常數(shù);解題策略;高中化學(xué)

中圖分類號(hào)：G632文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1008-0333（2022）13-0120-05

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》指出，要能引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷化學(xué)平衡常數(shù)模型建構(gòu)的過程，結(jié)合具體實(shí)例，促使學(xué)生體會(huì)化學(xué)平衡常數(shù)在判斷平衡狀態(tài)、反應(yīng)方向、分析預(yù)測(cè)平衡移動(dòng)方向等方面的功能價(jià)值.而在學(xué)業(yè)要求中，也明確指出要求學(xué)生能書寫平衡常數(shù)表達(dá)式，能進(jìn)行平衡常數(shù)的簡(jiǎn)單計(jì)算，能利用平衡常數(shù)和濃度商的關(guān)系判斷化學(xué)反應(yīng)是否達(dá)到平衡及平衡移動(dòng)方向.

近年來化學(xué)平衡常數(shù)在高考中所占的比例逐漸提高，化學(xué)平衡常數(shù)的考查緊扣課程標(biāo)準(zhǔn)，其考查形式有表達(dá)式書寫、定量計(jì)算，有從化學(xué)平衡常數(shù)的角度分析化學(xué)反應(yīng)，也有運(yùn)用化學(xué)平衡常數(shù)解決問題.考查手段靈活，能較好地測(cè)試學(xué)生分析問題、解決問題的能力，區(qū)分度較高.尤其對(duì)于化學(xué)平衡常數(shù)的計(jì)算，這部分內(nèi)容是高考化學(xué)復(fù)習(xí)備考中的難點(diǎn)和易錯(cuò)點(diǎn).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(xué)平衡常數(shù)的這一重難點(diǎn)，筆者先從統(tǒng)計(jì)2021年的高考化學(xué)平常常數(shù)題入手.

1 2021年高考化學(xué)平衡常數(shù)題統(tǒng)計(jì)

2021年高考有關(guān)化學(xué)平衡常數(shù)題的統(tǒng)計(jì)見表1.

2 化學(xué)平衡常數(shù)的解題策略

2.1 回歸基礎(chǔ)，掌握化學(xué)平衡常數(shù)表達(dá)式

對(duì)于一般的可逆反應(yīng)

mA（g）+nB（g）pC（g）+qD（g）

平衡常數(shù)的表達(dá)式：

K=cp（C）·cq（D）cm（A）·cn（B）

溫度一定時(shí)，K為常數(shù)，稱為化學(xué)平衡常數(shù)，簡(jiǎn)稱平衡常數(shù).需要注意的是，對(duì)于有固體或純液體參與的反應(yīng)，固體或純液體不列入K的表達(dá)式中.

例1（2021年福建，節(jié)選）化學(xué)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(shù)，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(xué)鏈燃燒技術(shù)示意圖（如圖1所示）.

空氣反應(yīng)器與燃料反應(yīng)器中發(fā)生的反應(yīng)分別為：

①2Cu2O+O2（g）4CuO

ΔH1=-227 kJ·mol-1

②8CuO（s）+CH4（g）4Cu2O（s）+CO2（g）+2H2O（g）

ΔH2=-348kJ·mol-1

反應(yīng)②的平衡常數(shù)表達(dá)式K=.

解析由②

8CuO（s）+CH4（g）

4Cu2O（s）+CO2（g）+2H2O（g）

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

K=c2（H2O）c（CO2）c（CH4）

小結(jié)本題是以化學(xué)鏈燃燒（CLC）為載體，在復(fù)雜、陌生的研究對(duì)象及問題情境下，考查化學(xué)平衡常數(shù)的表達(dá)式書寫.學(xué)生要理解化學(xué)平衡常數(shù)的含義，掌握化學(xué)平衡常數(shù)的表達(dá)式，對(duì)于可逆反應(yīng)

mA（g）+nB（g）pC（g）+qD（g）將平衡時(shí)各物質(zhì)濃度代入可得

K= cp（C）·cq（D）cm（A）·cn（B）

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

2.2 知識(shí)遷移，關(guān)注分壓平衡常數(shù)

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

以可逆反應(yīng)

aA（g）+bB（g）cC（g）+dD（g）為例，分壓平衡常數(shù)的表達(dá)式為Kp=pc（C）·pd（D）pa（A）·pb（B），其中p（X）表示X氣體在平衡時(shí)的分壓，p（X）=X物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)（或體積分?jǐn)?shù)）×總壓強(qiáng).

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(yīng)可表示為：

CO2（g）+3H2（g）CH3OH（g）+H2O（g）

該反應(yīng)一般認(rèn)為通過如下步驟來實(shí)現(xiàn)：

①CO2（g）+H2（g）CO（g）+H2O（g）

ΔH1=+41 kJ·mol-1

②CO（g）+2H2（g）CH3OH（g）

ΔH2=-90 kJ·mol-1

（2）合成總反應(yīng)在起始物n（H2）/n（CO2）=3時(shí)，在不同條件下達(dá)到平衡，設(shè)體系中甲醇的物質(zhì)的量分?jǐn)?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.

①用各物質(zhì)的平衡分壓表示總反應(yīng)的平衡常數(shù)，表達(dá)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(yīng)為

CO2（g）+3H2（g）CH3OH（g）+H2O（g）

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

Kp=p（H2O）·p（CH3OH）p3（H2）·p（CO2）

小結(jié)本題是以二氧化碳催化加氫制甲醇為載體，在復(fù)雜、陌生的研究對(duì)象及問題情境下，考查分壓平衡常數(shù)的表達(dá)式書寫，學(xué)生根據(jù)化學(xué)平衡常數(shù)的定義，將知識(shí)點(diǎn)遷移，用各氣體物質(zhì)平衡時(shí)的分壓替代平衡濃度，即可計(jì)算得到分壓平衡常數(shù)表達(dá)式，但需要注意的是本題涉及三個(gè)化學(xué)方程式，需要考生認(rèn)真審題，按要求答題.

2.3 根據(jù)“三段式”計(jì)算濃度平衡常數(shù)

例3（2018年課標(biāo)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(duì)溫室氣體的減排具有重要意義.CH4-CO2催化重整反應(yīng)為：

CH4（g）+CO2（g）2CO（g）+2H2（g）

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(jìn)行重整反應(yīng)，達(dá)到平衡時(shí)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：

CH4（g）+CO2（g）2CO（g）+2H2（g）

開始/mol·L-110.500

轉(zhuǎn)化/mol·L-10.250.250.50.5

平衡/mol·L-10.750.250.50.5

K=c2（H2）·c2（CO）c（CH4）·c（CO2）

=（0.5mol·L-1）2×（0.5mol·L-1）2（0.75mol·L-1）×（0.25mol·L-1）

=13 mol2·L-2

小結(jié)本題以CH4-CO2催化重整為載體，考查了濃度平衡常數(shù)，解題時(shí)第一步可先分析平衡常數(shù)定義表達(dá)式為K=c2（H2）·c2（CO）c（CH4）·c（CO2）;第二步根據(jù)信息列出起始濃度、變化濃度及平衡時(shí)濃度;第三步將平衡時(shí)濃度代入平衡常數(shù)表達(dá)式進(jìn)行計(jì)算.

2.4 根據(jù)“五段式”計(jì)算分壓平衡常數(shù)

根據(jù)可逆反應(yīng)

aA（g）+bB（g）cC（g）+dD（g）

可判斷Kp=pc（C）·pd（D）pa（A）·pb（B），Kp計(jì)算充分體現(xiàn)了“科學(xué)探究與證據(jù)推理”的化學(xué)核心素養(yǎng)，其中的難點(diǎn)不是分壓平衡常數(shù)的表達(dá)式書寫，而是在復(fù)雜環(huán)境下，X氣體的分壓的計(jì)算：p（X）=X物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)（或體積分?jǐn)?shù)）×總壓強(qiáng).其中，根據(jù)分壓定律，總壓等于各氣體分壓之和，即

p（總）=p（A）+p（B）+p（C）+p（D） .恒容的體系中，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，可判斷氣體的分壓之比等于其物質(zhì)的量之比.用“五段式”建立模型法解決分壓平衡常數(shù)的計(jì)算步驟為：（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(qiáng)，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(yīng)Ⅰ（直接脫氫）：

C3H8（g）C3H6（g）+H2（g）

ΔH1=+125kJ·mol-1

反應(yīng)Ⅱ（氧化脫氫）：

C3H8（g）+12O2（g）C3H6（g）+H2O（g）

ΔH2=-118kJ·mol-1

（2）對(duì)于反應(yīng)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(yīng)），從平衡移動(dòng)的角度判斷，達(dá)到平衡后“通入N2”的作用是.在溫度為T1時(shí)，C3H8的平衡轉(zhuǎn)化率與通入氣體中C3H8的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)的關(guān)系如圖3所示，計(jì)算T1時(shí)反應(yīng)Ⅰ的平衡常數(shù)Kp=kPa（以分壓表示，分壓=總壓×物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)，保留一位小數(shù)）.

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

C3H8H2（g）+C3H6（g）

開始量/mol0.400

變化量/mol0.20.20.2

平衡量/mol0.20.20.2

由于總壓恒定為100kPa，平衡時(shí)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(shí)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(qiáng)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：

C3H8（g）H2（g）+C3H6（g）

開始量/mol0.400

變化量/mol0.20.20.2

平衡量/mol0.20.20.2

百分含量/%131313

氣體分壓/kPa100610061006

即C3H8（g）、C3H6（g）、H2（g）的分壓均為：

100kPa×0.2mol1.2mol=1006kPa

故T1時(shí)反應(yīng)Ⅰ的平衡常數(shù)

Kp=1006kPa×1006kPa1006kPa=16.7kPa.

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(yīng)：

Ⅰ.主反應(yīng)：

（g）+3H2（g）（g）

ΔH1<0

Ⅱ.副反應(yīng)：

（g）（g）

ΔH2>0

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

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

C6H6+3H2C6H12

起始量/mol140

轉(zhuǎn)化量/molα3αα

平衡量/mol1-α4-3αα

C6H12C5H9-CH3

起始量/molα0

轉(zhuǎn)化量/molxx

平衡量/molα-xx

反應(yīng)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(yīng)總壓為p0，故平衡時(shí)反應(yīng)Ⅰ的五段式可表示為：

C6H6+3H2C6H12

起始量/mol140

變化量/molα3αα

平衡量/mol1-α4-3αα

百分含量1-α5-3α4-3α5-3αα5-3α

分壓1-α5-3αp04-3α5-3αp0p

則反應(yīng)Ⅰ的平衡常數(shù)：

Kp=p（C6H12）p（C6H6） p3（H2）=p1-α5-3αp0×（4-3α5-3αp0）3

小結(jié)“五段式”的計(jì)算關(guān)鍵分三步，一是根據(jù)題給信息，列出準(zhǔn)確的“三段式”;二是分析所給條件是否有其他反應(yīng)產(chǎn)生的氣體或惰性氣體，找出所有氣體的總量，這關(guān)系著百分含量是否正確;三是判斷體系平衡時(shí)總壓強(qiáng)，恒壓表示前后氣體壓強(qiáng)不變，可直接計(jì)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(qiáng)是正比進(jìn)行計(jì)算.

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[責(zé)任編輯：季春陽]

收稿日期：2022-02-05

作者簡(jiǎn)介：曹艷，從事高中化學(xué)教學(xué)研究.[FQ）]