周學興

(湖南省常德市第一中學 415000)

《普通高中化學課程標準(2017年版2020年修訂)》提出：“認識化學平衡常數(shù)是表征反應限度的物理量，知道化學平衡常數(shù)的含義.”而壓強平衡常數(shù)(符號為Kp)是陌生情境下的知識，考查學生對信息的整合、吸收、運用的能力，凸顯了對學生模型認知與證據(jù)推理、創(chuàng)新意識的核心素養(yǎng)的發(fā)展，考查了學生解決實際問題的能力.

1 高考考情分析

化學平衡常數(shù)是高考化學試題中的必考點，難度大，是學生眼中“性價比”極低的設問.近五年高考化學試題中Kp的考查情況，見表1.

表1

2 解題策略

2.1 恒溫恒容體系

分析根據(jù)初始投料，計算初始分壓.碘和環(huán)戊烯的分壓均為105Pa×50%=5×104Pa

起始： 5×1045×1040 0

2×104

轉化 2×1042×1042×1044×104

2×104

平衡 3×1043×1042×1044×104

點評恒容時，壓強和物質的量成正比關系即與化學計量數(shù)成正比關系.此外，可計算總壓=105Pa×(1+20%)=1.2×105Pa，繼而設容器中起始加入I2(g)和環(huán)戊烯的物質的量均為amol，平衡時轉化的環(huán)戊烯的物質的量為x，列出三段式，計算出各物質的物質的量分數(shù)，根據(jù)分壓=總壓×物質的分數(shù)計算出平衡時各物質的分壓.

例2 (多重平衡體系)(2022年湖南卷，節(jié)選)2021年我國制氫量位居世界第一，煤的氣化是一種重要的制氫途徑.回答下列問題：

在一定溫度下，向體積固定的密閉容器中加入足量的C(s)和1 mol H2O(g),起始壓強為0.2 MPa時，發(fā)生下列反應生成水煤氣：

ΔH1=+131.4 kJ·mol-1

ΔH2=-41.1 kJ·mol-1

反應平衡時，H2O(g)的轉化率為50%，CO的物質的量為0.1 mol.此時，整個體系____(填“吸收”或“放出”)熱量____kJ，反應Ⅰ的平衡常數(shù)Kp=____(以分壓表示，分壓=總壓×物質的量分數(shù)).

點評設問中計算壓強平衡常數(shù)時，易忽略隨著反應正向進行總壓已發(fā)生了變化而仍用初始壓強計算分壓.

一般而言，多重平衡體系的計算題，可利用初始原料中的原子守恒，快速計算出平衡時各組分的物質的量.

2.2 恒溫恒壓體系

工業(yè)上恒溫恒壓條件下，常通入一定量的惰性氣體進行調控.故恒壓體系可分為惰性氣體充入的體系和未充入惰性氣體兩種情況.

2.2.1 未充入惰性氣體的恒壓體系

例3(2022年全國甲卷，節(jié)選)金屬鈦(Ti)在航空航天、醫(yī)療器械等工業(yè)領域有著重要用途，目前生產(chǎn)鈦的方法之一是將金紅石TiO2轉化為TiCl4，再進一步還原得到鈦.回答下列問題：

(1)TiO2轉化為TiCl4有直接氯化法和碳氯化法.在1000℃時反應的熱化學方程式及其平衡常數(shù)如下：

(ⅰ)直接氯化：

ΔH1=172 kJ·mol-1,Kp1=1.0×10-2

(ⅱ)碳氯化：

TiCl4(g)+2CO(g)

ΔH2=-51 kJ·mol-1,Kp2=1.2×1012Pa

(2)在1.0×105Pa，將TiO2、C、Cl2以物質的量比1∶2.2∶2進行反應.體系中氣體平衡組成比例(物質的量分數(shù))隨溫度變化的理論計算結果如圖1所示.

圖1

分析(1)①根據(jù)蓋斯定律知ΔH=ΔH2-ΔH1=-223 kJ·mol-1，Kp=Kp2÷Kp1=1.2×1014Pa；

點評本題提供的數(shù)據(jù)即為物質的量分數(shù)，且總壓不變，降低了計算難度.

2.2.2 充入惰性氣體的恒壓體系

例4(2022年全國乙卷，節(jié)選)油氣開采、石油化工、煤化工等行業(yè)廢氣普遍含有的硫化氫，需要回收處理并加以利用.回答下列問題：

(1)已知下列反應的熱化學方程式：

ΔH1=-1036 kJ·mol-1

ΔH2=94 kJ·mol-1

ΔH3=-484 kJ·mol-1

計算H2S熱分解反應④2H2S(g)=S2(g)+2H2(g)的ΔH4=____kJ·mol-1.

(2)較普遍采用的H2S處理方法是克勞斯工藝.即利用反應①和②生成單質硫.另一種方法是：利用反應④高溫熱分解H2S.相比克勞斯工藝，高溫熱分解方法的優(yōu)點是____，缺點是____.

(3)在1470 K、100 kPa反應條件下，將n(H2S)∶n(Ar)=1∶4的混合氣進行H2S熱分解反應.平衡時混合氣中H2S與H2的分壓相等，H2S平衡轉化率為____，平衡常數(shù)Kp=____kPa.

分析(1)根據(jù)蓋斯定律知反應④=(①+②)÷3-③，即ΔH4=(ΔH1+ΔH2)÷3-ΔH3=+170 kJ·mol-1；

(2)克勞斯工藝無法獲取H2，且存在副產(chǎn)物SO2，高溫分解能夠獲得H2，可作燃料，副產(chǎn)物少；缺點是需要高溫分解，耗能高.

(3)平衡時H2S、H2的分壓相等，即n(H2S)=n(H2).設H2S為1 mol，則Ar為4 mol，設H2S分解了2xmol，列三段式：

初始量/mol： 1 0 0

變化量/mol： 2xx2x

平衡量/mol： 1-2xx2x

答案：(1)+170

(2)高溫分解能夠獲得H2，可作燃料，且副產(chǎn)物少；耗能高

(3)4；76

點評恒溫恒壓條件下，需要先計算出物質的量分數(shù)，再計算分壓，繼而帶入計算平衡常數(shù)，計算量較大.Ar未參與反應，但始終占了一部分分壓，在計算物質的量分數(shù)時，易因忽略而計算錯誤.

小結恒壓與恒容的最大的不同在于，恒容時總壓可能會發(fā)生變化.若是仍將初識壓強作平衡時總壓，即進入錯誤區(qū)域.通過考情表格分析而言，可發(fā)現(xiàn)恒溫恒容的反應反應考查次數(shù)少，主要原因有二：一則真實情境的可逆反應是在恒壓條件下發(fā)生的占多數(shù)；二則可減少計算總壓的步驟或壓強與物質的量的轉化關系的思考，在一定程度上降低了出錯幾率.

通過上述示例可發(fā)現(xiàn)，壓強平衡常數(shù)在不同環(huán)境下計算過程略有不同，若能明晰要領，定能提高解題效率，其解題模型如圖2所示.

圖2

2.3 氣體分子數(shù)相等的反應體系

為了進一步解決解題慢的問題，氣體分子數(shù)相等的反應在計算壓強平衡常數(shù)具有其簡便性.可通過下列簡單例子理解.

例5 (自編)一定條件下存在反應：

平衡時，n(CO)=n(H2O)=amol，n(CO2)=n(H2)=bmol.

(1)則該條件下的平衡常數(shù)K=____.

(2)若平衡時，各物質的物質的量分數(shù)關系為：x(CO)=x(H2O)=m，x(CO2)=x(H2)=n，則該條件下的平衡常數(shù)K=____.設此時，總壓為p，則Kp=____.

分析(2)問第一空的值也是摩爾分數(shù)平衡常數(shù)(Kx)的值.即當前后氣體分子數(shù)相等時，K=Kx=Kp，且可直接用物質的量或物質的量分數(shù)或濃度直接進行計算，不需要計算出分壓來計算Kp.

點評在此基礎上，可最大限度的節(jié)約時間，提高解題效率，通過減少計算步驟而降低出錯幾率.