邊永平
(河北省豐寧滿族自治縣第一中學(xué) 068350)
有關(guān)化學(xué)平衡的計(jì)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(shí)建立多個(gè)化學(xué)平衡體系.各個(gè)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(shí),對(duì)各個(gè)平衡的影響程度常常不同,致使某些量的變化趨勢(shì)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(jì)算題,并作淺析.
例1 (2021年全國(guó)乙卷28題,節(jié)選) 氯鉑酸鋇(BaPtCl6)固體加熱時(shí)部分分解為BaCl2、Pt和Cl2,376.8℃時(shí)平衡常數(shù)KP=1.0×104Pa2.在一硬質(zhì)玻璃燒瓶中加入過(guò)量BaPtCl4,抽真空后,通過(guò)一支管通入碘蒸氣(然后將支管封閉).在376.8℃,碘蒸氣初始?jí)簭?qiáng)為20.0kPa.376.8℃平衡時(shí),測(cè)得燒瓶中壓強(qiáng)為32.5kPa,則p(ICl)=____kPa,反應(yīng)
的平衡常數(shù)Kp=____(列出計(jì)算式即可).
解析根據(jù)題意,BaPtCl6固體加熱時(shí)分解反應(yīng)為:
該反應(yīng)的平衡常數(shù)
Kp=p2(Cl2)=1.0×104Pa2
由此可求得平衡時(shí)
p(Cl2)=100Pa=0.1 kPa
容器中還同時(shí)發(fā)生另一個(gè)可逆反應(yīng):
此反應(yīng)和上述平衡同時(shí)發(fā)生,既相互依存又相互制約.特別是Cl2,兩個(gè)平衡中同時(shí)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xkPa,列出三段式:
起始/kPa 20 0
轉(zhuǎn)化/kPaxx2x
平衡/kPa 0.1 20-x2x
由題意有:0.1+20-x+2x=32.5
解得x=12.4kPa
平衡時(shí)p(ICl)=2x=24.8kPa,p(I2)=20-x=7.6 kPa.
因此,平衡時(shí)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)
的平衡常數(shù)
Kp=[p(Cl2)·p(I2)]/p2(ICl)
答案見(jiàn)解析過(guò)程.
例2 在石油加工過(guò)程中,常利用裂解的手段獲得短鏈烯烴.例如,將戊烷進(jìn)行催化裂解,同時(shí)發(fā)生以下三個(gè)反應(yīng):
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(qiáng)為10MPa,達(dá)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_(kāi)___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_(kāi)___.
(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(dòng)”“逆向移動(dòng)”或“不移動(dòng)”).平衡時(shí),c(CH3CH2CH2CH2CH3)∶c[C(CH3)4]=____..
解析依題意,依次建立下面兩個(gè)平衡:
起始量/mol 3 0 0
反應(yīng)/mol 2 2 2
平衡量/mol 1 2 2
起始量/mol 2 2 0
反應(yīng)/mol 1 1 1
平衡量/mol 1 1 1
(1)由于是恒壓條件,即平衡時(shí)總壓仍為10MPa,則平衡體系中C(CH3)4的分壓為:
=2.5MPa
(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(huì)使原平衡體系的體積增大,則對(duì)原平衡來(lái)說(shuō)即相當(dāng)于減壓操作,根據(jù)反應(yīng)Ⅲ的特點(diǎn),減壓時(shí),平衡將向氣體分子數(shù)增加的方向即正反應(yīng)方向移動(dòng).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(jiàn)解析過(guò)程.
例3 為了實(shí)現(xiàn)碳中和、碳達(dá)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(diǎn).將CH4和CO2進(jìn)行重整,可以發(fā)生如下兩個(gè)反應(yīng):
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(shí)發(fā)生上述兩個(gè)反應(yīng).測(cè)得不同溫度下達(dá)平衡時(shí)各反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率見(jiàn)表1.
表1
回答下列問(wèn)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(shí),56min達(dá)平衡,則0~56min CH4的平均反應(yīng)速率為_(kāi)___.
(3)900℃時(shí),反應(yīng)②的平衡常數(shù)K=____.
解析(1)觀察兩個(gè)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(shí)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(shí)的數(shù)據(jù),列出下面計(jì)算過(guò)程:
起始量/mol 1 1 0 0
反應(yīng)/mol 0.56 0.56 1.12 1.12
平衡量/mol 0.44 0.44 1.12 1.12
起始量/mol 0.44 1.12 1.12 0
反應(yīng)/mol 0.22 0.22 0.22 0.22
平衡量/mol 0.22 0.9 1.34 0.22
所以CH4的平均反應(yīng)速率為:
(3)900℃時(shí),反應(yīng)②的平衡常數(shù)
答案見(jiàn)解析過(guò)程.