2023届新教材高考化学一轮复习化学反应速率平衡图像学案

化学反应速率、平衡图像(一)常规图像1．物质的量(或浓度)－时间图像[n(或c)－t图像]此类图像说明各平衡体系组分(或某一组分)在反应过程中的变化情况。解题原则：注意各物质曲线的拐点(到达平衡的时刻)，各物质浓度变化的内在联系及比例符合化学方程式中的化学计量数关系等情况。2．速率－时间图像(v－t图像)解题原则：分清正反应、逆反应及二者的相对大小，分清“突变”和“渐变”；正确判断化学平衡的移动方向；熟记浓度、压强、温度、催化剂等对化学平衡移动的影响规律。3．百分含量(或转化率)－时间－温度(或压强)图像解题原则：“先拐先平数值大”。先出现拐点的反应即先达到平衡，速率快，温度较高、压强较大(如图Ⅰ、Ⅱ)或使用了催化剂(如图Ⅲ)。再看平台高度，纵坐标大小与平衡状态相对应，将温度高低、压强大小与平衡状态相联系，即可得到反应热或气体分子数信息。4．百分含量(或转化率)－压强－温度图像解题原则：“定一议二”。讨论三个量之间的关系，先确定其中一个量(看曲线趋势或作辅助线)，再讨论另两个的关系，从而得到反应热或气体分子数信息。5．几种特殊图像(1)对于化学反应mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g)，M点前，表示从反应物开始，v正>v逆；M点为刚达到平衡点(如图)；M点后为平衡受温度的影响情况，即升温，A的百分含量增加或C的百分含量减少，平衡左移，故正反应ΔH＜0。(2)对于化学反应mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g)，L线上所有的点都是平衡点(如图)。L线的左上方(E点)，A的百分含量大于此压强时平衡体系的A的百分含量，所以，E点v正>v逆；则L线的右下方(F点)，v正＜v逆。【典例】对于可逆反应：2A(g)＋B(g)2C(g)ΔH<0，下列各图中正确的是()【解析】选C。2A(g)＋B(g)2C(g)ΔH<0，反应放热，平衡后升高温度反应逆向移动，c(B)增大，故A错误；加压时正反应速率和逆反应速率都增大，故B错误；温度相同时，加压有利于反应正向进行，故w(C)增大，压强恒定时，升高温度反应逆向进行，w(C)减小，故C正确；压强恒定时，升高温度，反应逆向进行，A的转化率减小，故D错误。请归纳化学平衡图像题的解题流程。提示：·命题角度一：速率—时间图像1.(2022·茂名模拟)某密闭容器中发生如下反应：X(g)＋3Y(g)2Z(g)ΔH＜0。如图表示该反应的速率(v)随时间(t)变化的关系，t2、t3、t5时刻外界条件有所改变，但都没有改变各物质的初始加入量。下列说法中正确的是()A.t2时加入催化剂 B．t3时降低了温度C．t5时增大了压强 D．t4～t5时间内转化率一定最低【解析】选A。由图可知，t2时刻，改变条件，正、逆反应速率同等程度增大，平衡不移动，该反应正反应是气体体积减小的反应，增大压强平衡向正反应方向移动，不可能是改变压强，故改变条件为使用催化剂，故A正确；t3时刻，改变条件，正、逆反应速率降低，且正反应速率降低更多，平衡向逆反应方向移动，该反应正反应是放热反应，温度降低，平衡向正反应方向移动，故不可能为降低温度，故B错误；t5时刻，改变条件，正、逆反应速率都增大，且逆反应速率增大更多，平衡向逆反应方向移动，该反应正反应是气体体积减小的反应，增大压强平衡向正反应方向移动，不可能是改变压强，该反应正反应是放热反应，升高温度，平衡向逆反应方向移动，故改变条件为升高温度，故C错误；t2时刻，使用催化剂，平衡不移动，X的转化率不变，t3时刻，平衡向逆反应方向移动，X的转化率减小，t5时刻，升高温度，平衡向逆反应方向移动，X的转化率降低，则t6之后转化率更低，故D错误。【加固训练】向绝热恒容密闭容器中通入SO2和NO2，一定条件下使反应SO2(g)＋NO2(g)SO3(g)＋NO(g)达到平衡，正反应速率随时间变化的示意图如图所示。由图可得出的正确结论是()A.反应在c点达到平衡状态B．反应物浓度：a点小于b点C．反应物的总能量低于生成物的总能量D．Δt1＝Δt2时，SO2的转化率：a～b段小于b～c段【解析】选D。A项，化学平衡状态的标志是各物质的浓度不再改变，其实质是正反应速率等于逆反应速率，c点对应的正反应速率显然还在改变，一定未达平衡，错误；B项，a到b时正反应速率增加，反应物浓度随时间不断减小，错误；C项，从a到c正反应速率增大，之后正反应速率减小，说明反应刚开始时温度升高对正反应速率的影响大于浓度减小对正反应速率的影响，说明该反应为放热反应，即反应物的总能量高于生成物的总能量，错误；D项，随着反应的进行，正反应速率越快，消耗的二氧化硫就越多，SO2的转化率将逐渐增大，正确。·命题角度二：物质的量(或浓度)—时间图像2．(2022·肇庆模拟)T℃时，向恒温恒容密闭容器中充入一定浓度的N2O4(无色)，测得各气体的浓度随时间变化的关系如图所示。下列说法错误的是()A.0～20s内N2O4的分解速率比20～40s内的快B.由M点可计算出该温度时N2O4的平衡转化率为33.3%C.混合气体的颜色不再变化时反应达到平衡状态D．0～80s内生成NO2的平均反应速率为1.25×10－3mol·L－1·s－1【解析】选B。随着反应的进行，N2O4的浓度逐渐减小，反应速率逐渐减慢，故0～20s内N2O4的分解速率比20～40s内的快，A项正确；由图可知，M点时反应未达到平衡状态，故不能用M点计算出N2O4的平衡转化率，B项错误；N2O4是无色气体，NO2是红棕色气体，当混合气体的颜色不再变化，说明各组分浓度不变，反应达到平衡状态，C项正确；80s时，N2O4的浓度为0.050mol·L－1，则0～80s内N2O4的平均反应速率为eq\f(（0.100－0.050）mol·L－1,80s)＝6.25×10－4mol·L－1·s－1，根据反应速率之比等于化学计量数之比，则0～80s内生成NO2的平均反应速率为6.25×10－4mol·L－1·s－1×2＝1.25×10－3mol·L－1·s－1，D项正确。【加固训练】向一容积不变的密闭容器中充入一定量A和B，发生如下反应：xA(g)＋2B(s)⇌yC(g)ΔH<0。在一定条件下，容器中A、C的物质的量浓度随时间变化的曲线如图所示。请回答下列问题：(1)用A的浓度变化表示该反应在0～10min内的平均反应速率v(A)＝____。(2)根据图示可确定x∶y＝____________。(3)0～10min容器内压强____________(填“变大”“不变”或“变小”)。(4)推测第10min引起曲线变化的反应条件可能是________________(填编号，下同)；第16min引起曲线变化的反应条件可能是____________。①减压②增大A的浓度③增大C的量④升温⑤降温⑥加催化剂(5)若平衡Ⅰ的平衡常数为K1，平衡Ⅱ平衡常数为K2，则K1__________K2(填“>”“＝”或“<”)。【解析】(1)0～10min内v(A)＝eq\f(（0.45－0.25）mol·L－1,10min)＝0.02mol·L－1·min－1。(2)根据图像可知，0～10min内A的物质的量浓度减少量为0.2mol·L－1，C的物质的量浓度增加量为0.4mol·L－1，x、y之比等于A、C的浓度的变化量之比，故x∶y＝0.2mol·L－1∶0.4mol·L－1＝1∶2。(3)该反应是气体分子数增大的反应，而容器容积不变，因此0～10min容器内压强变大。(4)根据图像可知，10min时改变条件后，A、C的浓度瞬时不变且随后反应速率加快，故改变的条件可能是升温或加入催化剂；12～16min，反应处于平衡状态，16min时改变条件后，A、C的浓度瞬时不变，且随后A的浓度逐渐增大，C的浓度逐渐减小，说明平衡逆向移动，故改变的条件可能是升温。(5)升高温度，平衡逆向移动，平衡常数减小。由于16min时升高温度，则K1>K2。答案：(1)0.02mol·L－1·min－1(2)1∶2(3)变大(4)④⑥④(5)>·命题角度三：浓度(转化率、百分含量)—压强(温度)图像3．(2022·珠海模拟)乙烯气相直接水合反应制备乙醇：C2H4(g)＋H2O(g)C2H5OH(g)。乙烯的平衡转化率随温度、压强的变化关系如图[起始时，n(H2O)＝n(C2H4)＝1mol，容器体积为VL]。下列分析不正确的是()A．乙烯气相直接水合反应的ΔH＜0B．图中压强的大小关系为p1>p2>p3C．图中a点对应的平衡常数K＝eq\f(5V,16)D．达到平衡状态a、b所需要的时间：a>b【解析】选B。依据图像分析，在同一压强下，随着温度的升高，乙烯的平衡转化率降低，说明该反应正方向为放热反应，即ΔH＜0，A项正确；由方程式C2H4(g)＋H2O(g)⇌C2H5OH(g)可知，该反应的正反应是气体体积减小的反应，所以增大压强，平衡正向移动，乙烯的平衡转化率提高，因此压强的大小关系是p1<p2<p3，B项错误；根据图示可知，起始时，n(H2O)＝n(C2H4)＝1mol，VL，a点乙烯的平衡转化率为20%，则转化的乙烯的物质的量浓度为eq\f(0.2,V)mol·L－1，则C2H4(g)＋H2O(g)C2H5OH(g)起始/(mol·L－1)eq\f(1,V)eq\f(1,V)0转化/(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)该温度下的平衡常数K＝eq\f(0.2V,0.8×0.8)＝eq\f(5V,16)，C项正确；由于b点温度比a点高，且压强比a点大，所以反应速率快，达到平衡所需时间短，D项正确。【加固训练】(2022·天津河东区模拟)可逆反应mA(s)＋nB(g)eC(g)＋fD(g)，反应过程中，当其他条件不变时，C的百分含量(C%)与温度(T)和压强(p)的关系如图。下列叙述正确的是()A.达到平衡后，若升温，则K减小B．达到平衡后，加入催化剂C%增大C．化学方程式中n＞e＋fD．达到平衡后，若增加A的量，B的转化率增大【解析】选A。T2达到平衡时间短，温度较高，而C%含量低，则正反应方向放热，p2达到平衡时间短，压强较大，而C%含量低，则n＜e＋f，催化剂不影响平衡移动，达到平衡后，若升温，正反应是放热反应，所以K减小，故A正确；使用催化剂平衡不移动，C%不变，故B错误；p2达到平衡时间短，压强较大，而C%含量低，则n＜e＋f，故C错误；达到平衡后，若增加A的量，平衡不移动，所以B的转化率不变，故D错误。·命题角度四：几种特殊图像4.已知某密闭容器中存在下列平衡：CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)，CO2的平衡物质的量浓度c(CO2)与温度T的关系如图所示。下列说法错误的是()A．平衡状态a与c相比，平衡状态a的c(CO)较小B．在T2时，d点的反应速率：v(逆)＞v(正)C．反应CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)的ΔH＞0D．若T1、T2时的平衡常数分别为K1、K2，则K1＜K2【解析】选A。平衡状态a与c相比，c点温度高，升高温度，平衡向正反应方向移动，CO浓度减小，所以a点CO浓度较大，故A错误；T2时反应进行到d点，c(CO2)高于平衡浓度，故反应向逆反应方向进行，则一定有v(逆)＞v(正)，故B正确；由题图可知，温度越高平衡时c(CO2)越大，说明升高温度，平衡向正反应方向移动，即ΔH＞0，故C正确；该反应正反应是吸热反应，升高温度平衡向正反应方向移动，化学平衡常数增大，则K1<K2，故D正确。5.用(NH4)2CO3捕碳的反应：(NH4)2CO3(aq)＋H2O(l)＋CO2(g)2NH4HCO3(aq)。为研究温度对(NH4)2CO3捕获CO2效率的影响，将一定量的(NH4)2CO3溶液置于密闭容器中，并充入一定量的CO2气体，保持其他初始实验条件不变，分别在不同温度下，经过相同时间测得CO2气体浓度，得到趋势图。(1)c点的逆反应速率和d点的正反应速率的大小关系为v逆(c)______v正(d)(填“＞”“＝”或“＜”，下同)。(2)b、c、d三点的平衡常数Kb、Kc、Kd从大到小的顺序为________________。(3)T3～T4温度区间，容器内CO2气体浓度呈现增大的变化趋势，其原因是________________________________________________。【解析】(1)温度越高，反应速率越快，d点温度高，则c点的逆反应速率和d点的正反应速率的大小关系为v逆(c)＜v正(d)。(2)根据图像，温度为T3时反应达平衡，此后温度升高，c(CO2)增大，平衡逆向移动，说明反应是放热反应，升高温度，平衡逆向进行，平衡常数减小，Kb＞Kc＞Kd。(3)T3～T4区间，化学反应已达到平衡，由于正反应是放热反应，温度升高，平衡向逆反应方向移动，不利于CO2的捕获，所以容器内CO2气体浓度呈现增大的变化趋势。答案：(1)＜(2)Kb＞Kc＞Kd(3)T3～T4区间，化学反应已达到平衡，由于正反应是放热反应，温度升高平衡向逆反应方向移动，不利于CO2的捕获(二)复杂图像1．复杂图像类型的解题步骤(1)看清坐标所代表的意义，如反应时间、投料比值、催化剂的选择、转化率等；(2)抓住图像中的关键点(常为最高点、最低点、转折点)、看清曲线的变化趋势；(3)将复杂图像转化为常规图像；(4)运用化学平衡知识进行解答。2．解决复杂平衡图像题应考虑的角度(1)曲线上的每个点是否都到达平衡往往需要通过曲线的升降趋势或斜率变化来判断，如果还未达到平衡则不能使用平衡移动原理，只有达到平衡以后的点才能应用平衡移动原理。(2)催化剂的活性是否受温度的影响不同的催化剂因选择性不同受温度的影响也会不同。一般来说，催化剂的活性在一定温度下最高，低于或高于这个温度都会下降。(3)不同的投料比对产率造成的影响可以根据定一议二的方法，根据相同投料比下温度或压强的改变对产率的影响或相同温度或压强下改变投料比时平衡移动的方向进行判断，确定反应的吸放热或系数和的大小。·命题角度一：转化率(产率)—投料比图像1．采用一种新型的催化剂(主要成分是Cu—Mn合金)，利用CO和H2制备二甲醚(DME)。主反应：2CO(g)＋4H2(g)CH3OCH3(g)＋H2O(g)副反应：CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)测得反应体系中各物质的产率或转化率与催化剂的关系如图所示。则催化剂中eq\f(n（Mn）,n（Cu）)约为________________时最有利于二甲醚的合成。【解析】由图可知当催化剂中eq\f(n（Mn）,n（Cu）)约为2.0时，CO的转化率最大，生成的二甲醚最多。答案：2.02．将燃煤废气中的CO2转化为甲醚的反应原理为2CO2(g)＋6H2(g)CH3OCH3(g)＋3H2O(g)已知在压强为aMPa下，该反应在不同温度、不同投料比时，CO2的转化率见下图：此反应________________(填“放热”或“吸热”)；若温度不变，提高投料比[n(H2)/n(CO2)]，则K将________________(填“增大”“减小”或“不变”)。【解析】当投料比一定时，温度越高，CO2的转化率越低，所以升温，平衡左移，正反应为放热反应。平衡常数只与温度有关，不随投料比的变化而变化。答案：放热不变·命题角度二：选择最佳反应条件、解释曲线变化的原因3．汽车尾气是雾霾形成的原因之一。研究氮氧化物的处理方法可有效减少雾霾的形成，可采用氧化还原法脱硝：4NO(g)＋4NH3(g)＋O2(g)4N2(g)＋6H2O(g)ΔH<0根据下图判断提高脱硝效率的最佳条件是________________；氨氮比一定时，在400℃时，脱硝效率最大，其可能的原因是__________________。【解析】由图像可知，氨氮物质的量之比为1，温度为400℃时，脱硝效率最高。答案：氨氮物质的量之比为1，温度为400℃在400℃时催化剂的活性最好，催化效率最高，同时400℃温度较高，反应速率快4．如图是在一定时间内，使用不同催化剂Mn和Cr在不同温度下对应的脱氮率，由图可知工业使用的最佳催化剂为_______、相应温度为_________；使用Mn作催化剂时，脱氮率b～a段呈现如图变化的可能原因是____________。【解析】由图可知，Mn作催化剂时200℃左右脱氮率达最大值，较Cr作催化剂时所需温度低；b～a段，开始温度较低，催化剂活性较低，脱氮反应速率较慢，反应还没达到化学平衡，随着温度升高反应速率变大，一定时间参与反应的氮氧化物变多，导致脱氮率逐渐升高。答案：Mn200℃b～a段，开始温度较低，催化剂活性较低，脱氮反应速率较慢，反应还没达到化学平衡，随着温度升高反应速率变大，一定时间参与反应的氮氧化物变多，导致脱氮率逐渐升高【加固训练】汽车使用乙醇汽油并不能减少NOx的排放，某研究小组在实验室以耐高温试剂Ag－ZSW－5催化，测得NO转化为N2的转化率随温度变化情况如下图所示。(1)在eq\f(n（NO）,n（CO）)＝1条件下，最佳温度应控制在____________左右。(2)若不使用CO，温度超过775K，发现NO的分解率降低，其可能的原因为_______________________________________。(3)用平衡移动原理解释为什么加入CO后NO转化为N2的转化率增大：________________________。【解析】(1)根据图像可知，eq\f(n（NO）,n（CO）)＝1条件下，870K左右时，NO的转化率已接近最高。(2)不使用CO，温度超过775K，NO的分解率降低，平衡逆向移动，反应为放热反应。(3)加入的CO能降低生成物的浓度，使平衡正向移动，增大NO的转化率。答案：(1)870K(860～880K范围内都可以)(2)该反应放热，升高温度，反应向逆反应方向进行(3)加入的CO会与NO的分解产物O2发生反应，促进NO分解平衡向生成N2的方向移动，导致NO转化率升高·命题