多重平衡体系计算题例析

2022-05-26边永平

数理化解题研究·高中版 2022年5期

摘要：有关化学平衡的计算题，在考查化学平衡基本理论的基础上，重在考查学生的证据推理与模型认知的学科核心素养.多重平衡体系是指在相同的条件下，在同一容器中，同时建立多个化学平衡体系.各个平衡之间因具有某些相同的组分而相互关联和制约.当改变外界条件时，对各个平衡的影响程度常常不同，致使某些量的变化趋势有所不同，甚至完全相反.

关键词：多重平衡;计算;高中化学

中图分类号：G632文献标识码：A文章编号：1008-0333（2022）13-0117-03

有关化学平衡的计算题，在考查化学平衡基本理论的基础上，重在考查学生的证据推理与模型认知的学科核心素养.多重平衡体系是指在相同的条件下，在同一容器中，同时建立多个化学平衡体系.各个平衡之间因具有某些相同的组分而相互关联和制约.当改变外界条件时，对各个平衡的影响程度常常不同，致使某些量的变化趋势有所不同，甚至完全相反.

现举数例有关多重平衡体系的计算题，并作浅析.1 计算压强常数

例1（2021年全国乙卷28题，节选）氯铂酸钡（BaPtCl6）固体加热时部分分解为BaCl2、Pt和Cl2，376.8℃时平衡常数KP=1.0×104Pa2.在一硬质玻璃烧瓶中加入过量BaPtCl4，抽真空后，通过一支管通入碘蒸气（然后将支管封闭）.在376.8℃，碘蒸气初始压强为20.0kPa.376.8℃平衡时，测得烧瓶中压强为32.5kPa，则p（ICl）=kPa，反应

2IClCl2（g）+I2（g）

的平衡常数Kp=（列出计算式即可）.

解析根据题意，BaPtCl6固体加热时分解反应为：

BaPtCl6（s）BaCl2（s）+ Pt（s）+ 2Cl2（g）

该反应的平衡常数

Kp=p2（Cl2）=1.0×104Pa2

由此可求得平衡时

p（Cl2）=100Pa=0.1 kPa

容器中还同时发生另一个可逆反应：

Cl2（g）+ I2（g）2ICl（g）

此反应和上述平衡同时发生，既相互依存又相互制约.特别是Cl2，两个平衡中同时存在，但平衡后，p（Cl2）=0.1 kPa是不变的.

设参加反应的I2（g）为x kPa，列出三段式：

Cl2（g）+I2（g）2ICl（g）

起始/kPa200

转化/kPaxx2x

平衡/kPa0.120-x2x

由题意有：0.1+20-x+2x=32.5

解得x=12.4kPa

平衡时p（ICl）=2x=24.8kPa，p（I2）=20-x =7.6 kPa.

因此，平衡时各物质的分压分别为：

p（Cl2）=0.1 kPa

p（I2）=20-x =7.6 kPa

p（ICl）=2x=24.8kPa

则反应

2IClCl2（g）+I2（g）

的平衡常数

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

答案見解析过程.

2 计算分压和浓度比

例2在石油加工过程中，常利用裂解的手段获得短链烯烃.例如，将戊烷进行催化裂解，同时发生以下三个反应：

（1）CH3CH2CH2CH2CH3（g）C（CH3）4（g）

（2）CH3CH2CH2CH2CH3（g）CH2

CHCH3（g）+CH3CH3（g）

（3）C（CH3）4（g）

CH2CHCH3（g）+CH3CH3（g）

为研究上述平衡体系间的关系，向某反应容器中加入3.0mol C（CH3）4，控制温度为600K，压强为10MPa，达到平衡后，CH3CH2CH2CH2CH3和CH2=CHCH3的物质的量均为1.0 mol.

（1）求平衡体系中C（CH3）4的分压为MPa.

（2）反应Ⅰ的平衡常数Kx（用物质的量分数表示平衡常数Kx）为.

（3）同温同压下，若再向该平衡体系中充入一定量的稀有气体He，则反应Ⅲ的化学平衡将（填“正向移动”“逆向移动”或“不移动”）.平衡时，c（CH3CH2CH2CH2CH3）∶c＼[C（CH3）4＼]=..

解析依题意，依次建立下面两个平衡：C（CH3）4（g）CH2CHCH3（g）+CH3CH3（g）

起始量/mol300

反应/mol222

平衡量/mol122

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

反应/mol111

平衡量/mol111

即达平衡时，容器内：CH3CH2CH2CH2CH3、C（CH3）4、

CH2CHCH3、 CH3CH3 四种物质的物质的量均为1.0mol，则：

（1）由于是恒压条件，即平衡时总压仍为10MPa，则平衡体系中C（CH3）4的分压为：

p＼[C（CH3）4＼]=p（总）×14=10×14

=2.5MPa

（2）因平衡体系中CH3CH2CH2CH2CH3和C（CH3）4的物质的量分数均为14，故反应Ⅰ的平衡常数为：

Kx=1414=1

（3）同温同压下，若再向该平衡体系中充入一定量的稀有气体He，会使原平衡体系的体积增大，则对原平衡来说即相当于减压操作，根据反应Ⅲ的特点，减压时，平衡将向气体分子数增加的方向即正反应方向移动.由于温度不变，则反应Ⅰ的平衡常数不变，则c（CH3CH2CH2CH2CH3）∶c＼[C（CH3）4＼]与原平衡相同，即c（CH3CH2CH2CH2CH3）∶c＼[C（CH3）4＼]=1.

答案见解析过程.

3 根据转化率确定反应物

例3为了实现碳中和、碳达峰的节能减排目标，温室气体的转化利用成为全球研究的热点.将CH4和CO2进行重整，可以发生如下两个反应：

①CH4（g）+CO2（g）2CO（g）+2H2（g）

②CO2（g）+ H2（g） CO（g）+H2O（g）

一定条件下，向容积为VL的密闭容器中充入CH4、CO2各1.0mol，在有催化剂时发生上述两个反应.测得不同温度下达平衡时各反应物的转化率见表1.

回答下列问题：

（1）表中a和b分别代表的反应物是和;相同温度下，转化率b高于a的原因是.

（2）900℃时，56min达平衡，则0～56min CH4的平均反应速率为.

（3）900℃时，反应②的平衡常数K=.

解析（1）觀察两个反应的化学方程式可知：

由于反应①等量消耗CH4和CO2，而反应②又消耗CO2，并且起始时CH4和CO2按1∶1投入，因此CO2的转化率要高于CH4，即表中a和b分别代表的反应物是CH4和CO2.