多重平衡體系計算題例析

摘要：有關(guān)化學(xué)平衡的計算題，在考查化學(xué)平衡基本理論的基礎(chǔ)上，重在考查學(xué)生的證據(jù)推理與模型認(rèn)知的學(xué)科核心素養(yǎng).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(xué)平衡體系.各個平衡之間因具有某些相同的組分而相互關(guān)聯(lián)和制約.當(dāng)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(guān)鍵詞：多重平衡;計算;高中化學(xué)

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

有關(guān)化學(xué)平衡的計算題，在考查化學(xué)平衡基本理論的基礎(chǔ)上，重在考查學(xué)生的證據(jù)推理與模型認(rèn)知的學(xué)科核心素養(yǎng).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(xué)平衡體系.各個平衡之間因具有某些相同的組分而相互關(guān)聯(lián)和制約.當(dāng)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(xiàn)舉數(shù)例有關(guān)多重平衡體系的計算題，并作淺析.1 計算壓強常數(shù)

例1（2021年全國乙卷28題，節(jié)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(shù)KP=1.0×104Pa2.在一硬質(zhì)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(yīng)

2IClCl2（g）+I2（g）

的平衡常數(shù)Kp=（列出計算式即可）.

解析根據(jù)題意，BaPtCl6固體加熱時分解反應(yīng)為：

BaPtCl6（s）BaCl2（s）+ Pt（s）+ 2Cl2（g）

該反應(yīng)的平衡常數(shù)

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(fā)生另一個可逆反應(yīng)：

Cl2（g）+ I2（g）2ICl（g）

此反應(yīng)和上述平衡同時發(fā)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(shè)參加反應(yīng)的I2（g）為x kPa，列出三段式：

Cl2（g）+I2（g）2ICl（g）

起始/kPa200

轉(zhuǎn)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(zhì)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(yīng)

2IClCl2（g）+I2（g）

的平衡常數(shù)

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(fā)生以下三個反應(yīng)：

（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(guān)系，向某反應(yīng)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(zhì)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(yīng)Ⅰ的平衡常數(shù)Kx（用物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)表示平衡常數(shù)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(yīng)Ⅲ的化學(xué)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(yīng)/mol222

平衡量/mol122

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

反應(yīng)/mol111

平衡量/mol111

即達平衡時，容器內(nèi)：CH3CH2CH2CH2CH3、C（CH3）4、

CH2CHCH3、 CH3CH3 四種物質(zhì)的物質(zhì)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(zhì)的量分?jǐn)?shù)均為14，故反應(yīng)Ⅰ的平衡常數(shù)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(dāng)于減壓操作，根據(jù)反應(yīng)Ⅲ的特點，減壓時，平衡將向氣體分子數(shù)增加的方向即正反應(yīng)方向移動.由于溫度不變，則反應(yīng)Ⅰ的平衡常數(shù)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(jù)轉(zhuǎn)化率確定反應(yīng)物

例3為了實現(xiàn)碳中和、碳達峰的節(jié)能減排目標(biāo)，溫室氣體的轉(zhuǎn)化利用成為全球研究的熱點.將CH4和CO2進行重整，可以發(fā)生如下兩個反應(yīng)：

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(fā)生上述兩個反應(yīng).測得不同溫度下達平衡時各反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率見表1.

回答下列問題：

（1）表中a和b分別代表的反應(yīng)物是和;相同溫度下，轉(zhuǎn)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(yīng)速率為.

（3）900℃時，反應(yīng)②的平衡常數(shù)K=.

解析（1）觀察兩個反應(yīng)的化學(xué)方程式可知：

由于反應(yīng)①等量消耗CH4和CO2，而反應(yīng)②又消耗CO2，并且起始時CH4和CO2按1∶1投入，因此CO2的轉(zhuǎn)化率要高于CH4，即表中a和b分別代表的反應(yīng)物是CH4和CO2.

（2）根據(jù)900℃時的數(shù)據(jù)，列出下面計算過程：

CH4（g）+CO2（g）2CO（g）+2H2（g）

起始量/mol1100

反應(yīng)/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(yīng)/mol0.220.220.220.22

平衡量/mol0.220.91.340.22

所以CH4的平均反應(yīng)速率為：

0.56V56=0.01V mol/（L·min）

（3）900℃時，反應(yīng)②的平衡常數(shù)

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(wǎng).五年高考真題匯編詳解·綜合＼[M＼].拉薩：西藏人民出版社，2021.

[責(zé)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(xué)一級教師，從事高中化學(xué)教學(xué)研究.[FQ）]