2023屆新教材高考化學一輪復習化學反應速率平衡圖像學案

化學反應速率、平衡圖像(一)常規(guī)圖像1．物質的量(或濃度)－時間圖像[n(或c)－t圖像]此類圖像說明各平衡體系組分(或某一組分)在反應過程中的變化情況。解題原則：注意各物質曲線的拐點(到達平衡的時刻)，各物質濃度變化的內在聯(lián)系及比例符合化學方程式中的化學計量數關系等情況。2．速率－時間圖像(v－t圖像)解題原則：分清正反應、逆反應及二者的相對大小，分清“突變”和“漸變”；正確判斷化學平衡的移動方向；熟記濃度、壓強、溫度、催化劑等對化學平衡移動的影響規(guī)律。3．百分含量(或轉化率)－時間－溫度(或壓強)圖像解題原則：“先拐先平數值大”。先出現拐點的反應即先達到平衡，速率快，溫度較高、壓強較大(如圖Ⅰ、Ⅱ)或使用了催化劑(如圖Ⅲ)。再看平臺高度，縱坐標大小與平衡狀態(tài)相對應，將溫度高低、壓強大小與平衡狀態(tài)相聯(lián)系，即可得到反應熱或氣體分子數信息。4．百分含量(或轉化率)－壓強－溫度圖像解題原則：“定一議二”。討論三個量之間的關系，先確定其中一個量(看曲線趨勢或作輔助線)，再討論另兩個的關系，從而得到反應熱或氣體分子數信息。5．幾種特殊圖像(1)對于化學反應mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g)，M點前，表示從反應物開始，v正>v逆；M點為剛達到平衡點(如圖)；M點后為平衡受溫度的影響情況，即升溫，A的百分含量增加或C的百分含量減少，平衡左移，故正反應ΔH＜0。(2)對于化學反應mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g)，L線上所有的點都是平衡點(如圖)。L線的左上方(E點)，A的百分含量大于此壓強時平衡體系的A的百分含量，所以，E點v正>v逆；則L線的右下方(F點)，v正＜v逆?！镜淅繉τ诳赡娣磻?A(g)＋B(g)2C(g)ΔH<0，下列各圖中正確的是()【解析】選C。2A(g)＋B(g)2C(g)ΔH<0，反應放熱，平衡后升高溫度反應逆向移動，c(B)增大，故A錯誤；加壓時正反應速率和逆反應速率都增大，故B錯誤；溫度相同時，加壓有利于反應正向進行，故w(C)增大，壓強恒定時，升高溫度反應逆向進行，w(C)減小，故C正確；壓強恒定時，升高溫度，反應逆向進行，A的轉化率減小，故D錯誤。請歸納化學平衡圖像題的解題流程。提示：·命題角度一：速率—時間圖像1.(2022·茂名模擬)某密閉容器中發(fā)生如下反應：X(g)＋3Y(g)2Z(g)ΔH＜0。如圖表示該反應的速率(v)隨時間(t)變化的關系，t2、t3、t5時刻外界條件有所改變，但都沒有改變各物質的初始加入量。下列說法中正確的是()A.t2時加入催化劑 B．t3時降低了溫度C．t5時增大了壓強 D．t4～t5時間內轉化率一定最低【解析】選A。由圖可知，t2時刻，改變條件，正、逆反應速率同等程度增大，平衡不移動，該反應正反應是氣體體積減小的反應，增大壓強平衡向正反應方向移動，不可能是改變壓強，故改變條件為使用催化劑，故A正確；t3時刻，改變條件，正、逆反應速率降低，且正反應速率降低更多，平衡向逆反應方向移動，該反應正反應是放熱反應，溫度降低，平衡向正反應方向移動，故不可能為降低溫度，故B錯誤；t5時刻，改變條件，正、逆反應速率都增大，且逆反應速率增大更多，平衡向逆反應方向移動，該反應正反應是氣體體積減小的反應，增大壓強平衡向正反應方向移動，不可能是改變壓強，該反應正反應是放熱反應，升高溫度，平衡向逆反應方向移動，故改變條件為升高溫度，故C錯誤；t2時刻，使用催化劑，平衡不移動，X的轉化率不變，t3時刻，平衡向逆反應方向移動，X的轉化率減小，t5時刻，升高溫度，平衡向逆反應方向移動，X的轉化率降低，則t6之后轉化率更低，故D錯誤?！炯庸逃柧殹肯蚪^熱恒容密閉容器中通入SO2和NO2，一定條件下使反應SO2(g)＋NO2(g)SO3(g)＋NO(g)達到平衡，正反應速率隨時間變化的示意圖如圖所示。由圖可得出的正確結論是()A.反應在c點達到平衡狀態(tài)B．反應物濃度：a點小于b點C．反應物的總能量低于生成物的總能量D．Δt1＝Δt2時，SO2的轉化率：a～b段小于b～c段【解析】選D。A項，化學平衡狀態(tài)的標志是各物質的濃度不再改變，其實質是正反應速率等于逆反應速率，c點對應的正反應速率顯然還在改變，一定未達平衡，錯誤；B項，a到b時正反應速率增加，反應物濃度隨時間不斷減小，錯誤；C項，從a到c正反應速率增大，之后正反應速率減小，說明反應剛開始時溫度升高對正反應速率的影響大于濃度減小對正反應速率的影響，說明該反應為放熱反應，即反應物的總能量高于生成物的總能量，錯誤；D項，隨著反應的進行，正反應速率越快，消耗的二氧化硫就越多，SO2的轉化率將逐漸增大，正確?！っ}角度二：物質的量(或濃度)—時間圖像2．(2022·肇慶模擬)T℃時，向恒溫恒容密閉容器中充入一定濃度的N2O4(無色)，測得各氣體的濃度隨時間變化的關系如圖所示。下列說法錯誤的是()A.0～20s內N2O4的分解速率比20～40s內的快B.由M點可計算出該溫度時N2O4的平衡轉化率為33.3%C.混合氣體的顏色不再變化時反應達到平衡狀態(tài)D．0～80s內生成NO2的平均反應速率為1.25×10－3mol·L－1·s－1【解析】選B。隨著反應的進行，N2O4的濃度逐漸減小，反應速率逐漸減慢，故0～20s內N2O4的分解速率比20～40s內的快，A項正確；由圖可知，M點時反應未達到平衡狀態(tài)，故不能用M點計算出N2O4的平衡轉化率，B項錯誤；N2O4是無色氣體，NO2是紅棕色氣體，當混合氣體的顏色不再變化，說明各組分濃度不變，反應達到平衡狀態(tài)，C項正確；80s時，N2O4的濃度為0.050mol·L－1，則0～80s內N2O4的平均反應速率為eq\f(（0.100－0.050）mol·L－1,80s)＝6.25×10－4mol·L－1·s－1，根據反應速率之比等于化學計量數之比，則0～80s內生成NO2的平均反應速率為6.25×10－4mol·L－1·s－1×2＝1.25×10－3mol·L－1·s－1，D項正確。【加固訓練】向一容積不變的密閉容器中充入一定量A和B，發(fā)生如下反應：xA(g)＋2B(s)?yC(g)ΔH<0。在一定條件下，容器中A、C的物質的量濃度隨時間變化的曲線如圖所示。請回答下列問題：(1)用A的濃度變化表示該反應在0～10min內的平均反應速率v(A)＝____。(2)根據圖示可確定x∶y＝____________。(3)0～10min容器內壓強____________(填“變大”“不變”或“變小”)。(4)推測第10min引起曲線變化的反應條件可能是________________(填編號，下同)；第16min引起曲線變化的反應條件可能是____________。①減壓②增大A的濃度③增大C的量④升溫⑤降溫⑥加催化劑(5)若平衡Ⅰ的平衡常數為K1，平衡Ⅱ平衡常數為K2，則K1__________K2(填“>”“＝”或“<”)?！窘馕觥?1)0～10min內v(A)＝eq\f(（0.45－0.25）mol·L－1,10min)＝0.02mol·L－1·min－1。(2)根據圖像可知，0～10min內A的物質的量濃度減少量為0.2mol·L－1，C的物質的量濃度增加量為0.4mol·L－1，x、y之比等于A、C的濃度的變化量之比，故x∶y＝0.2mol·L－1∶0.4mol·L－1＝1∶2。(3)該反應是氣體分子數增大的反應，而容器容積不變，因此0～10min容器內壓強變大。(4)根據圖像可知，10min時改變條件后，A、C的濃度瞬時不變且隨后反應速率加快，故改變的條件可能是升溫或加入催化劑；12～16min，反應處于平衡狀態(tài)，16min時改變條件后，A、C的濃度瞬時不變，且隨后A的濃度逐漸增大，C的濃度逐漸減小，說明平衡逆向移動，故改變的條件可能是升溫。(5)升高溫度，平衡逆向移動，平衡常數減小。由于16min時升高溫度，則K1>K2。答案：(1)0.02mol·L－1·min－1(2)1∶2(3)變大(4)④⑥④(5)>·命題角度三：濃度(轉化率、百分含量)—壓強(溫度)圖像3．(2022·珠海模擬)乙烯氣相直接水合反應制備乙醇：C2H4(g)＋H2O(g)C2H5OH(g)。乙烯的平衡轉化率隨溫度、壓強的變化關系如圖[起始時，n(H2O)＝n(C2H4)＝1mol，容器體積為VL]。下列分析不正確的是()A．乙烯氣相直接水合反應的ΔH＜0B．圖中壓強的大小關系為p1>p2>p3C．圖中a點對應的平衡常數K＝eq\f(5V,16)D．達到平衡狀態(tài)a、b所需要的時間：a>b【解析】選B。依據圖像分析，在同一壓強下，隨著溫度的升高，乙烯的平衡轉化率降低，說明該反應正方向為放熱反應，即ΔH＜0，A項正確；由方程式C2H4(g)＋H2O(g)?C2H5OH(g)可知，該反應的正反應是氣體體積減小的反應，所以增大壓強，平衡正向移動，乙烯的平衡轉化率提高，因此壓強的大小關系是p1<p2<p3，B項錯誤；根據圖示可知，起始時，n(H2O)＝n(C2H4)＝1mol，VL，a點乙烯的平衡轉化率為20%，則轉化的乙烯的物質的量濃度為eq\f(0.2,V)mol·L－1，則C2H4(g)＋H2O(g)C2H5OH(g)起始/(mol·L－1)eq\f(1,V)eq\f(1,V)0轉化/(mol·L－1)eq\f(0.2,V)eq\f(0.2,V)eq\f(0.2,V)平衡/(mol·L－1)eq\f(0.8,V)eq\f(0.8,V)eq\f(0.2,V)該溫度下的平衡常數K＝eq\f(0.2V,0.8×0.8)＝eq\f(5V,16)，C項正確；由于b點溫度比a點高，且壓強比a點大，所以反應速率快，達到平衡所需時間短，D項正確?！炯庸逃柧殹?2022·天津河東區(qū)模擬)可逆反應mA(s)＋nB(g)eC(g)＋fD(g)，反應過程中，當其他條件不變時，C的百分含量(C%)與溫度(T)和壓強(p)的關系如圖。下列敘述正確的是()A.達到平衡后，若升溫，則K減小B．達到平衡后，加入催化劑C%增大C．化學方程式中n＞e＋fD．達到平衡后，若增加A的量，B的轉化率增大【解析】選A。T2達到平衡時間短，溫度較高，而C%含量低，則正反應方向放熱，p2達到平衡時間短，壓強較大，而C%含量低，則n＜e＋f，催化劑不影響平衡移動，達到平衡后，若升溫，正反應是放熱反應，所以K減小，故A正確；使用催化劑平衡不移動，C%不變，故B錯誤；p2達到平衡時間短，壓強較大，而C%含量低，則n＜e＋f，故C錯誤；達到平衡后，若增加A的量，平衡不移動，所以B的轉化率不變，故D錯誤。·命題角度四：幾種特殊圖像4.已知某密閉容器中存在下列平衡：CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)，CO2的平衡物質的量濃度c(CO2)與溫度T的關系如圖所示。下列說法錯誤的是()A．平衡狀態(tài)a與c相比，平衡狀態(tài)a的c(CO)較小B．在T2時，d點的反應速率：v(逆)＞v(正)C．反應CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)的ΔH＞0D．若T1、T2時的平衡常數分別為K1、K2，則K1＜K2【解析】選A。平衡狀態(tài)a與c相比，c點溫度高，升高溫度，平衡向正反應方向移動，CO濃度減小，所以a點CO濃度較大，故A錯誤；T2時反應進行到d點，c(CO2)高于平衡濃度，故反應向逆反應方向進行，則一定有v(逆)＞v(正)，故B正確；由題圖可知，溫度越高平衡時c(CO2)越大，說明升高溫度，平衡向正反應方向移動，即ΔH＞0，故C正確；該反應正反應是吸熱反應，升高溫度平衡向正反應方向移動，化學平衡常數增大，則K1<K2，故D正確。5.用(NH4)2CO3捕碳的反應：(NH4)2CO3(aq)＋H2O(l)＋CO2(g)2NH4HCO3(aq)。為研究溫度對(NH4)2CO3捕獲CO2效率的影響，將一定量的(NH4)2CO3溶液置于密閉容器中，并充入一定量的CO2氣體，保持其他初始實驗條件不變，分別在不同溫度下，經過相同時間測得CO2氣體濃度，得到趨勢圖。(1)c點的逆反應速率和d點的正反應速率的大小關系為v逆(c)______v正(d)(填“＞”“＝”或“＜”，下同)。(2)b、c、d三點的平衡常數Kb、Kc、Kd從大到小的順序為________________。(3)T3～T4溫度區(qū)間，容器內CO2氣體濃度呈現增大的變化趨勢，其原因是________________________________________________?！窘馕觥?1)溫度越高，反應速率越快，d點溫度高，則c點的逆反應速率和d點的正反應速率的大小關系為v逆(c)＜v正(d)。(2)根據圖像，溫度為T3時反應達平衡，此后溫度升高，c(CO2)增大，平衡逆向移動，說明反應是放熱反應，升高溫度，平衡逆向進行，平衡常數減小，Kb＞Kc＞Kd。(3)T3～T4區(qū)間，化學反應已達到平衡，由于正反應是放熱反應，溫度升高，平衡向逆反應方向移動，不利于CO2的捕獲，所以容器內CO2氣體濃度呈現增大的變化趨勢。答案：(1)＜(2)Kb＞Kc＞Kd(3)T3～T4區(qū)間，化學反應已達到平衡，由于正反應是放熱反應，溫度升高平衡向逆反應方向移動，不利于CO2的捕獲(二)復雜圖像1．復雜圖像類型的解題步驟(1)看清坐標所代表的意義，如反應時間、投料比值、催化劑的選擇、轉化率等；(2)抓住圖像中的關鍵點(常為最高點、最低點、轉折點)、看清曲線的變化趨勢；(3)將復雜圖像轉化為常規(guī)圖像；(4)運用化學平衡知識進行解答。2．解決復雜平衡圖像題應考慮的角度(1)曲線上的每個點是否都到達平衡往往需要通過曲線的升降趨勢或斜率變化來判斷，如果還未達到平衡則不能使用平衡移動原理，只有達到平衡以后的點才能應用平衡移動原理。(2)催化劑的活性是否受溫度的影響不同的催化劑因選擇性不同受溫度的影響也會不同。一般來說，催化劑的活性在一定溫度下最高，低于或高于這個溫度都會下降。(3)不同的投料比對產率造成的影響可以根據定一議二的方法，根據相同投料比下溫度或壓強的改變對產率的影響或相同溫度或壓強下改變投料比時平衡移動的方向進行判斷，確定反應的吸放熱或系數和的大小。·命題角度一：轉化率(產率)—投料比圖像1．采用一種新型的催化劑(主要成分是Cu—Mn合金)，利用CO和H2制備二甲醚(DME)。主反應：2CO(g)＋4H2(g)CH3OCH3(g)＋H2O(g)副反應：CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)測得反應體系中各物質的產率或轉化率與催化劑的關系如圖所示。則催化劑中eq\f(n（Mn）,n（Cu）)約為________________時最有利于二甲醚的合成?！窘馕觥坑蓤D可知當催化劑中eq\f(n（Mn）,n（Cu）)約為2.0時，CO的轉化率最大，生成的二甲醚最多。答案：2.02．將燃煤廢氣中的CO2轉化為甲醚的反應原理為2CO2(g)＋6H2(g)CH3OCH3(g)＋3H2O(g)已知在壓強為aMPa下，該反應在不同溫度、不同投料比時，CO2的轉化率見下圖：此反應________________(填“放熱”或“吸熱”)；若溫度不變，提高投料比[n(H2)/n(CO2)]，則K將________________(填“增大”“減小”或“不變”)?！窘馕觥慨斖读媳纫欢〞r，溫度越高，CO2的轉化率越低，所以升溫，平衡左移，正反應為放熱反應。平衡常數只與溫度有關，不隨投料比的變化而變化。答案：放熱不變·命題角度二：選擇最佳反應條件、解釋曲線變化的原因3．汽車尾氣是霧霾形成的原因之一。研究氮氧化物的處理方法可有效減少霧霾的形成，可采用氧化還原法脫硝：4NO(g)＋4NH3(g)＋O2(g)4N2(g)＋6H2O(g)ΔH<0根據下圖判斷提高脫硝效率的最佳條件是________________；氨氮比一定時，在400℃時，脫硝效率最大，其可能的原因是__________________?！窘馕觥坑蓤D像可知，氨氮物質的量之比為1，溫度為400℃時，脫硝效率最高。答案：氨氮物質的量之比為1，溫度為400℃在400℃時催化劑的活性最好，催化效率最高，同時400℃溫度較高，反應速率快4．如圖是在一定時間內，使用不同催化劑Mn和Cr在不同溫度下對應的脫氮率，由圖可知工業(yè)使用的最佳催化劑為_______、相應溫度為_________；使用Mn作催化劑時，脫氮率b～a段呈現如圖變化的可能原因是____________?！窘馕觥坑蓤D可知，Mn作催化劑時200℃左右脫氮率達最大值，較Cr作催化劑時所需溫度低；b～a段，開始溫度較低，催化劑活性較低，脫氮反應速率較慢，反應還沒達到化學平衡，隨著溫度升高反應速率變大，一定時間參與反應的氮氧化物變多，導致脫氮率逐漸升高。答案：Mn200℃b～a段，開始溫度較低，催化劑活性較低，脫氮反應速率較慢，反應還沒達到化學平衡，隨著溫度升高反應速率變大，一定時間參與反應的氮氧化物變多，導致脫氮率逐漸升高【加固訓練】汽車使用乙醇汽油并不能減少NOx的排放，某研究小組在實驗室以耐高溫試劑Ag－ZSW－5催化，測得NO轉化為N2的轉化率隨溫度變化情況如下圖所示。(1)在eq\f(n（NO）,n（CO）)＝1條件下，最佳溫度應控制在____________左右。(2)若不使用CO，溫度超過775K，發(fā)現NO的分解率降低，其可能的原因為_______________________________________。(3)用平衡移動原理解釋為什么加入CO后NO轉化為N2的轉化率增大：________________________。【解析】(1)根據圖像可知，eq\f(n（NO）,n（CO）)＝1條件下，870K左右時，NO的轉化率已接近最高。(2)不使用CO，溫度超過775K，NO的分解率降低，平衡逆向移動，反應為放熱反應。(3)加入的CO能降低生成物的濃度，使平衡正向移動，增大NO的轉化率。答案：(1)870K(860～880K范圍內都可以)(2)該反應放熱，升高溫度，反應向逆反應方向進行(3)加入的CO會與NO的分解產物O2發(fā)生反應，促進NO分解平衡向生成N2的方向移動，導致NO轉化率升高·命題