化學(xué)平衡常數(shù)在高考試題中的延伸考查

張小波

(張掖市第二中學(xué),甘肅 張掖 734000)

化學(xué)平衡常數(shù)是化學(xué)反應(yīng)基本原理中的核心內(nèi)容,是高考熱點(diǎn)知識.近幾年高考化學(xué)試題中關(guān)于化學(xué)平衡常數(shù)的考查有所創(chuàng)新,對其進(jìn)行了延伸,主要涉及壓強(qiáng)平衡常數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)平衡常數(shù)(相對壓力平衡常數(shù))、物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)平衡常數(shù)以及平衡常數(shù)與其它常數(shù)相關(guān)聯(lián)等.突顯了高考試題源于課本、高于課本的特點(diǎn),真正體現(xiàn)了變化觀念和平衡思想,證據(jù)推理與模型認(rèn)知的化學(xué)核心素養(yǎng)[1].

1 壓強(qiáng)平衡常數(shù)

例1(2022年1月浙江卷-29節(jié)選)(3)一氧化碳變換反應(yīng):

ΔH=-41 kJ·mol-1

①一定溫度下,反應(yīng)后測得各組分的平衡壓強(qiáng):p(CO)=0.25 MPa、p(H2O)=0.25 MPa、p(CO2)=0.75 MPa和p(H2)=0.75 MPa,則反應(yīng)的平衡常數(shù)K的數(shù)值為____.

②維持與題①相同的溫度和總壓,提高水蒸氣的比例,使CO的平衡轉(zhuǎn)化率提高到90%,則原料氣中水蒸氣和CO的物質(zhì)的量之比為____.

答案:(3)①9.0 ②1.8∶1

②假設(shè)原料氣中水蒸氣為xmol,CO為1 mol,當(dāng)CO的平衡轉(zhuǎn)化率為90%時,消耗的CO和H2O的物質(zhì)的量為0.9 mol,同時生成的CO2和H2的物質(zhì)的量為0.9 mol,那么,平衡時CO、CO2、H2和H2O的物質(zhì)的量分別為0.1 mol、0.9 mol、0.9 mol和(x-0.9)mol.此時,假設(shè)反應(yīng)容器的體積為VL,則可逆反應(yīng)的平衡常數(shù)表達(dá)式如下:

解得x=1.8,故水蒸氣與CO物質(zhì)量之比為1.8∶1.

總結(jié)這個反應(yīng)比較特殊,即反應(yīng)前后氣體分子數(shù)不變,所以Kc=Kp.這個知識點(diǎn)在高考備考中學(xué)生一定要知曉,否則在考場上學(xué)生不僅會不知所措、無法解答,還可能打亂學(xué)生思維,影響其他題目的解答.第二問題目告訴要維持與題①相同的溫度和總壓,說明可逆反應(yīng)達(dá)到新平衡后Kp不變.只要巧妙假設(shè)出原料其中水蒸氣和一氧化碳的物質(zhì)的量,然后根據(jù)CO的平衡轉(zhuǎn)化率為90%,就可以根據(jù)K的定義式直接求解.

例2(2022年全國甲卷-28節(jié)選)(1)

(2)在1.0×105Pa,將TiO2、C、Cl2以物質(zhì)的量比1∶2.2∶2進(jìn)行反應(yīng).體系中氣體平衡組成比例(物質(zhì)的量分?jǐn)?shù))隨溫度變化的理論計(jì)算結(jié)果如圖1所示[3].

圖1 物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)隨溫度變化圖

答案:(1)① -223 1.2×1014

(2)①7.2×105

總結(jié)第一問已知兩個反應(yīng)的ΔH和Kp,根據(jù)蓋斯定律求出第三個反應(yīng)的ΔH,再按照多重平衡規(guī)則就可以求出其Kp.對于多重平衡,處理的規(guī)則一般是:若總反應(yīng)可以看成是幾個分步反應(yīng)化學(xué)方程式經(jīng)過相加(減)得到的,那么,總反應(yīng)的平衡常數(shù)就等于各分步反應(yīng)的平衡常數(shù)之乘積(商).

2 標(biāo)準(zhǔn)平衡常數(shù)(相對壓力平衡常數(shù))

圖2 各物質(zhì)的分壓隨時間的變化曲線

答案:0.48

總結(jié)標(biāo)準(zhǔn)平衡常數(shù)和壓強(qiáng)平衡常數(shù)相比較,就是用各氣體分壓和標(biāo)準(zhǔn)壓強(qiáng)的商代替分壓.學(xué)生容易理解,難度不大.2021年廣東卷第19題中出現(xiàn)了相對壓力平衡常數(shù),其數(shù)學(xué)表達(dá)式單從形式上來看就是在濃度平衡常數(shù)表達(dá)式的基礎(chǔ)上,利用平衡時各組分(氣體)的相對分壓代替平衡濃度就可以了.而平衡時氣體的相對分壓等于其分壓(單位為kPa)除以p0(p0=100 kPa),可見,標(biāo)準(zhǔn)平衡常數(shù)和相對壓力平衡常數(shù)從形式上來看極其相似,只要稍加注意,學(xué)生就能實(shí)現(xiàn)順利過渡.

3 物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)平衡常數(shù)

例4 (2021年山東卷-20節(jié)選)

A

B

(2)向某反應(yīng)容器中加入1.0 mol TAME,溫度為353 K時,測得TAME的平衡轉(zhuǎn)化率為α.已知Kx3=9.0,則平衡體系中B的物質(zhì)的量為____mol,反應(yīng)Ⅰ的平衡常數(shù)Kx1=____.同溫同壓下,再向該容器中注入惰性溶劑四氫呋喃稀釋,反應(yīng)Ⅰ的化學(xué)平衡將____(填“正向移動”“逆向移動”或“不移動”);平衡時,A與CH3OH物質(zhì)的量濃度之比c(A)∶c(CH3OH)=____.

(3)向盛有四氫呋喃的另一容器中加入一定量A、B和CH3OH.溫度為353 K,a、b物質(zhì)的量濃度c隨反應(yīng)時間t的變化如圖3所示.代表B的變化曲線為____(填“X”或“Y”);t=100 s時,反應(yīng)Ⅲ的正反應(yīng)速率v正____逆反應(yīng)速率v逆(填“>”“<”或“=)[4].

圖3 c與t變化關(guān)系

如果在同溫同壓下再向該容器中注入惰性溶劑四氫呋喃進(jìn)行稀釋,根據(jù)平衡移動原理可知,化學(xué)平衡Ⅰ將向著分子數(shù)增大的方向(逆向)移動.達(dá)新平衡時,雖然TAME的轉(zhuǎn)化率增大了,但是該反應(yīng)平衡常數(shù)不會改變,A與CH3OH物質(zhì)的量濃度之比也不會改變,即c(A)∶c(CH3OH)=0.1α∶α=1∶10.

總結(jié)學(xué)生已經(jīng)理解了物質(zhì)的量濃度平衡常數(shù)和壓強(qiáng)平衡常數(shù),現(xiàn)在很容易接受新事物——物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)平衡常數(shù).第二問是有關(guān)從逆向建立多重平衡的問題,增加了試題的難度,很好地考查了學(xué)生對化學(xué)平衡的概念、建立過程、特征、多重平衡的特點(diǎn)和規(guī)則的理解和掌握情況.要解答好本題,學(xué)生需要具備扎實(shí)的基本功和靈活的思維.就考查的方向和內(nèi)容來說比較中規(guī)中矩:由反應(yīng)Ⅲ的平衡常數(shù)計(jì)算出平衡體系中B的物質(zhì)的量,再算出反應(yīng)Ⅰ的平衡常數(shù),即平衡常數(shù)與組分物質(zhì)的量的互算,最后還考查了利用Qx與Kx的相對大小關(guān)系來判斷化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的方向.

4 化學(xué)平衡常數(shù)與其它常數(shù)相關(guān)聯(lián)

答案: 2.0×10-6

總結(jié)此題是一個典型的多重平衡問題,只要心細(xì),找出它們之間的關(guān)系,按照多重平衡規(guī)則就可以解決,這樣的題目經(jīng)常訓(xùn)練,難度不大.可見平衡常數(shù)之間是可以相關(guān)聯(lián)的.

5 化學(xué)平衡常數(shù)與化學(xué)反應(yīng)速率相關(guān)聯(lián)

答案:k1/600

總結(jié)本題將化學(xué)平衡常數(shù)與可逆反應(yīng)的正逆化學(xué)反應(yīng)速率聯(lián)系了起來,聯(lián)系二者的橋梁和紐帶就是物質(zhì)的量濃度.題目能很好地考查學(xué)生知識遷移應(yīng)用的能力、學(xué)生思維的靈活性、綜合分析和解決問題的能力以及數(shù)學(xué)推理的能力等等.尤其是最后一步,至關(guān)重要.當(dāng)可逆反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)時,對同種物質(zhì)而言,正逆反應(yīng)速率相等;對不同物質(zhì)而言,正逆反應(yīng)速率之比等于化學(xué)計(jì)量數(shù)之比.所以,當(dāng)這個特殊(化學(xué)計(jì)量數(shù)均為1)的可逆反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)時,可以得出這樣的結(jié)論:v(H2CO3)=v(CO2).

本題表面上看起來很簡單,但對學(xué)生而言,要全部想清楚,順利推導(dǎo)出來,還是有一定的挑戰(zhàn)性.這就要求教師在平時教學(xué)的過程中要有耐心,循序善誘,最終水到渠成.

綜上所述,高考試題中平衡常數(shù)的面孔雖然發(fā)生了一些變化,但它的考查方向幾乎沒變:根據(jù)平衡常數(shù)可以判斷可逆反應(yīng)進(jìn)行的程度(若K≤10-5,反應(yīng)很難進(jìn)行;若K≥105,反應(yīng)進(jìn)行得較完全;若10-5