谈2020年高考全国Ⅲ卷化学第28题平衡常数Kp的计算方法

王向军

[摘   要]每年高考化学试题都会涉及化学计算问题，很好地考查了学生化学学习水平及思维能力，还考查了评价体系中的核心价值、学科素养、关键能力、必备知识，符合课程标准中学业质量水平要求。

[关键词]高考化学;平衡常数;计算方法

[中图分类号]    G633.8        [文献标识码]    A        [文章编号]    1674-6058（2021）17-0075-03

2020年全国高考受疫情影响，试题的总体难度较往年有所下降，但试题设计仍体现了高考改革的总体思路，遵循高考评价体系内容，体现学科核心素养内涵，符合高校选拔人才的要求。化学计算是高考必考内容，2020年高考全国Ⅲ卷涉及计算的内容有6处，有2处是有关平衡常数的计算（或表达式），其中第28题考查了教材中没有出现的压强平衡常数的计算。在研究该试题后对照给出的参考答案，笔者从不同角度思考得出多种表达方式，现表述如下。

一、KP的定义

在化学平衡体系中，用各气体物质的分压替代浓度来计算的平衡常数叫压强平衡常数（[Kp]）。以方程式[aA（g）+bB（g） ][ ] [cC（g）+dD（g）]为例。其[Kp]的表达式为：

[Kp=pcC×pdDpaA×pbB]

【真题再现：2020年高考全国Ⅲ卷第28题节选】

28.二氧化碳催化加氢合成乙烯是综合利用CO2的热点研究领域。回答下列问题：

（1）CO2催化加氫生成乙烯和水的反应中，产物的物质的量之比n（C2H4）∶n（H2O）= 。当反应达到平衡时，若增大压强，则n（C2H4） （填“变大”“变小”或“不变”）。

（2）理论计算表明，原料初始组成n（CO2）∶n（H2）=1∶3，在体系压强为0.1 MPa，反应达到平衡时，四种组分的物质的量分数x随温度T的变化如图1所示。

（3）根据图1中点A（440 K，0.39），计算该温度时反应的平衡常数Kp=（MPa）?3（列出算式，以分压表示，分压=总压×物质的量分数）。

其中第（3）问是求体系内压强平衡常数的表达式，给出的参考答案是：[94×10.0393] 或[0.394×0.3940.396×0.3932×10.13] 。

除参考答案之外，笔者认为以下几种计算方式得出的表达式也是正确的。

二、解题思路

在化学平衡计算中，通常传授给学生的解题思路基本都是“三段式”法。

第1步，根据化学反应方程式，依次列出反应中各物质的起始量、变化量、平衡量。根据反应方程式中的系数关系计算出平衡体系中各物质的物质的量或物质的量浓度。

第2步，计算体系中各组分的物质的量分数或体积分数。

第3步，根据分压计算公式求出体系中各气体物质的分压，其计算方法为：某气体的分压=气体总压强×该气体的体积分数（或物质的量分数）。

第4步，代入平衡常数计算公式计算得出结果。

当然我们也可以根据试题中给出数据的实际情况，多角度进行思考，从不同的切入点出发，得出不一样的表达结果。下面是笔者从两个不同的视角得出的不同结果。

（一）三段式法

1.根据化学方程式列式，设CO2的转化量为x。

2CO2（g）+6H2（g）[ ]C2H4（g）+4H2O（g）

起始物质的量       1               3                   0              0

转化物质的量       x              3x                 x/2            2x

平衡物质的量     1-x          3-3x               x/2            2x

由A点H2O的物质的量分数得：[2x4-32x= 0.39]

解得[x=312517]

所以压强平衡常数也可以表示为：

[KP= 312517×124-32×312517×0.1 × 2×312574-32×312517×0.141-3125174-32×312517×0.12×  3-3×3125174-32×312517×0.16   （MPa）-3]

2.根据化学方程式列式，设C2H4的生成量为x。

2CO2（g）+6H2（g）[ ]C2H4（g）+4H2O（g）

起始物质的量    1                  3                   0             0

转化物质的量    2x                6x                  x             4x

平衡物质的量   1-2x           3-6x                x             4x

由A点H2O的物质的量分数得：[4x4-3x = 0.39]

解得[x=156517]

所以压强平衡常数也可以表示为：

[KP=1565174-3×156517×0.1 × 4×1565174-3×156517×0.141-2×1565174-3×156517×0.12×  3-6×1565174-3×156517×0.16    （MPa）-3]

（二）比例关系式法

根据题意可以得出反应方程式为： 2CO2（g）+ 6H2（g） [ ] C2H4（g）+ 4H2O（g）。题干给出n（CO2）∶n（H2）=1∶3正好是方程式反应物系数之比，所以不管反应进行到何种程度，剩下的n（CO2）和n（H2）之比总是1∶3，生成的n（C2H4）和n（H2O）之比總是1∶4。从图1可以看出A点正好是H2O和H2曲线的交叉点，物质的量分数都是0.39，这样可以得出CO2和C2H4的物质的量分数分别为：[0.393]、[0.394];总压强不变，是0.1 MPa。因此可以得出各气体的分压分别为：

[pCO2=0.393×0.1] MPa

[pH2=0.39×0.1] MPa

[pC2H2=0.394×0.1] MPa

[pH2O=0.39×0.1] MPa

代入公式得

[KP=0.39×0.14×0.394×0.10.39×0.16×0.393×0.12] （MPa）-3

因为四种气体物质的量分数总和等于1，可以衍生出以下结果：

1.如果CO2的物质的量分数表示为[0.393]，则C2H4的物质的量分数也可以表示为[1-0.39-0.39-0.393]，所以压强平衡常数也可以表示为：

[KP=0.39×0.14×1-73×0.39×0.10.39×0.16×0.393×0.12] （MPa）-3

2.如果C2H4的物质的量分数表示为[0.394]，则CO2的物质的量分数也可以表示为[1-0.39-0.39-0.394]，所以压强平衡常数也可以表示为：

[KP=0.39×0.14×0.394×0.10.39×0.16×1-94×0.39×0.12] （MPa）-3

3.如果C2H4和CO2的物质的量分数总量表示为（1-0.39-0.39），由题不难得出剩余的CO2和C2H4的物质的量之比为4∶3，则CO2的物质的量分数也可以表示为[0.22×47]，则C2H4的物质的量分数也可以表示为[0.22×37]，所以压强平衡常数也可以表示为：

[KP=0.39×0.14×0.22×37×0.10.39×0.16×0.22×47×0.12] （MPa）-3

4.如果C2H4的物质的量分数表示为[0.394]，则CO2的物质的量分数也可以表示为[0.22-0.394=0.494]，所以压强平衡常数也可以表示为：

[KP=0.39×0.14× 0.39 4×0.10.39×0.16× 0.49 4×0.12] （MPa）-3

5.如果CO2的物质的量分数表示为[0.393]，则C2H4的物质的量分数也可以表示为[0.22-0.393=0.273]，所以压强平衡常数也可以表示为：

[KP=0.39×0.14×0.273×0.10.39×0.16×0.393×0.12] （MPa）-3

6.如果用各物质的物质的量之比表示则为：

n（CO2）∶n（H2）∶n（C2H4）∶n（H2O）=[ 0.394]∶0.39∶[0.394]∶0.39 = 3∶12∶4∶12

所以压强平衡常数也可以表示为：

[KP=123+12+4+12×0.14×33+12+4+12×0.1123+12+4+12×0.16×43+12+4+12×0.12]

[=1231×0.14×331×0.11231×0.16×431×0.12] （MPa）-3

三、考查知识点及对教学的指导作用

《普通高中化学课程标准（2017年版）》中的学业要求：能书写平衡常数表达式，能进行平衡常数、转化率的简单计算，能利用平衡常数和浓度商的关系判断化学反应是否达到平衡及平衡移动的方向。

本题主要从温度对化学平衡的影响以及平衡常数的计算等方面，考查学生对化学平衡基本原理的理解和应用，同时要求学生关注信息获取、图像加工和处理能力及逻辑思维能力的培养，考查的知识点符合高考评价体系中的基础性、应用性、创新性。解题时首先要分析反应的特征和反应条件，如是恒温恒容还是恒温恒压反应;其次要分析化学平衡状态的建立过程，然后逐步分析试题中所设计的平衡量，按照平衡计算的“三段式”法，分析平衡状态下的相关数据。同时，题中没有给出用分压表示平衡常数的公式，说明可以用平衡分压代替平衡浓度求算平衡常数，压强平衡常数表达式与浓度平衡常数表达式相同，即生成物平衡浓度幂的乘积比反应物平衡浓度幂的乘积。

本题符合学业质量水平考查要求，但又高于学业要求，考查了学生的知识迁移能力。可见，教师在课堂教学中不能一成不变地守着书本知识，要引导学生对相关知识进行拓展，拓宽视野;同时在传授知识时要注意对知识进行建模，为学生提供学习方法和技巧。

（责任编辑 罗 艳）