新高考一轮复习鲁科版第七章第5课时化学反应速率与平衡图像学案

第5课时化学反应速率与平衡图像

❷〉课标要求

1.了解温度、浓度、压强和催化剂对化学反应速率的影响。

2.了解浓度、压强、温度对化学平衡状态的影响，并能运用浓度、压

强、温度对化学平衡的影响规律,推测平衡移动方向及浓度、转化率

等相关物理量的变化。

卜类型一

H必备知识房春

1.速率一时间(VT)图像

由图像变化分析外界条件对其影响，已知反应为mA(g)+nB(g)

l

pC(g)+qD(g)ΔH=QkJ∙molo

(1)“渐变”类v-t图像

图像分析结论

tι时V,正突然增大，V,逆逐渐增

11时其他条件不变，

大;V'IE＞V'逆,平衡向正反应方向移

k增大反应物的浓度

I

t动

匕时V,正突然减小，V'逆逐渐减

tι时其他条件不变，

小;V，逆＞v，正,平衡向逆反应方向移

1减小反应物的浓度

0⅛

“t

动

3时v'逆突然增大,V'正逐渐增

二11时其他条件不变，

大;V,逆＞v，正,平衡向逆反应方向移

增大生成物的浓度

0I动

t∣时V,逆突然减小，V'正逐渐减

1，L时其他条件不变，

小;v'1E>v'逆,平衡向正反应方向移

减小生成物的浓度

动

⑵''断点”类V-t图像

图像分析结论

tɪ时其他条件不变,增大反应体

3时V‘正、V,逆均突然系的压强且m+n>p+q（正反应为

⅛

增大，且v'Qv'逆；平体积减小的反应）

y‘______>

0t,t

衡向正反应方向进行t1时其他条件不变,升高温度且

Q>0（吸热反应）

t1时其他条件不变,增大反应体

t∣时V’正、V,逆均突然系的压强且m+n<p+q（正反应为

⅛

增大,且bQv，正；平体积增大的反应）

K_____L-，・

0hI

衡向逆反应方向进行t1时其他条件不变,升高温度且

Q〈0（放热反应）

tι时其他条件不变,减小反应体

3时v'正、v'逆均突然系的压强且m+n<p+q（正反应为

hk

减小，且v'正>v'逆;平体积增大的反应）

衡向正反应方向进行3时其他条件不变,降低温度且

Q〈0（放热反应）

匕时V‘逆、V,正均突然t,时其他条件不变,减小反应体

减小，且V,逆〉v'正;平系的压强且m+n>p+q（正反应为

0ιtt

衡向逆反应方向进行体积减小的反应）

3时其他条件不变，降低温度且

Q>0（吸热反应）

⑶“平台”类V-t图像

图像分析结论

t∣时其他条件不变,使用催化剂

tι时V'正、V'逆均突

V

、：VZ=4t1时其他条件不变,增大反应体系

>~Γ然增大且V'正=V'逆,

-

0t^l*的压强且m+n=p+q（反应前后气体

平衡不移动

体积无变化）

tι时V‘正、V'逆均突G时其他条件不变,减小反应体系

V

然减小且V'正=V'逆，的压强且m+n=p+q（反应前后气体

0<1t

平衡不移动体积无变化）

2.含量一时间一温度（压强）图像

常见图像形式有如下几种。其中C%指生成物的百分含量,B%指反应物

的百分含量。

∣C%∣B%

o∖oι

⑤（p,>p2,正反应为气体体积增大的反应）

∣e⅛拔表示不同条件下,反应达到平衡的时间快慢、反应速率的快

慢以及平衡混合物中某物质的百分含量的关系，解题方法是“先拐先

平,数值大”，即曲线先出现拐点的首先达到平衡,反应速率快,表示温

度较高、有催化剂、压强较大等,再依据外界条件对平衡的影响分析

判断反应的热效应及反应前后气体体积的变化。

3.转化率（或质量分数）与压强一温度图像

（1）恒压线图像

拔表示两个外界条件同时变化时,反应物A的转化率变化情况,

解决这类图像一般采用“定一议二”的方法，即把自变量（温度、压强）

之一设为恒量,讨论另外两个变量的关系。如图1中，当压强相等（任

意一条等压线）时,升高温度,A的转化率增大,说明升高温度平衡正向

移动，即正反应为吸热反应。当温度相等时,在图1中作直线,与三条

等压线交于三点,这三点自下而上为增大压强,A的转化率增大,说明

增大压强平衡正向移动，即正反应为气体体积减小的反应。

(2)恒温线图像

(

辱

隹

回

<

UPP

图3图4

I丘侬拔图3中，当温度相等(任意一条等温线)时,增大压强,A的转

化率增大,说明增大压强平衡正向移动，即正反应是气体体积减小的

反应。当压强相等时,在图3中作直线，与两条等温线交于两点,这两

点自下而上为降低温度,A的转化率增大,说明降低温度平衡正向移动,

即正反应为放热反应。

［理解辨析］

(1)根据下列图像分析化学反应:mA(g)+nB(g)==pC(g)+qD(g)是吸

热反应还是放热反应。

Oτ

提示:M点前,表示从反应开始,V(正)>v(逆);M点为刚达到平衡点;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△*(),为放热反应。

A%

LL

OP

(2)根据图像分析化学反应:mA(g)+nB(g)PC(g)+qD(g),

L线上的点以及E点、F点v(正)和V(逆)的关系。

提示:L线上所有的点都是平衡点,L线的上方(E点)，A的百分含量大

于此压强时平衡体系中A的百分含量,所以E点满足v(正)>v(逆)；同

理L线的下方(F点)满足V(正)<v(逆)。

密闭容器中发生反应:A(g)+3B(g)一2C(g)△*(),根据v_t图像,

回答下列问题。

(1)下列时刻所改变的外界条件是t,;

tɜ；11o

(2)反应速率最快的时间段是o

(3)下列措施能增大正反应速率的是(填字母)o

A.通入A(g)B.分离出C(g)

答案：(1)升高温度加入催化剂减小压强

⑵t3~t4(3)A

关键能力有厂

速率(浓度)-时间图像

L(双选)(2021・日照校际联合考试)反应X-2Z经历两步:①X-Y；

②丫一2Z。反应体系中X、Y、Z的浓度c随时间t的变化曲线如图所

示。下列说法错误的是(BD)

A.曲线C为C(Y)随t的变化曲线

B.0~tιS内，反应速率V(X)=v(Y)=v(Z)

2s时,Y的消耗速率大于生成速率

3s后，c(Z)=2c0mol∙LT

解析:反应X-2Z经历两步①X一丫;②丫一2Z,根据图中的c。减小，

则曲线a为X的浓度曲线,逐渐增大的曲线b为Z的浓度曲线,先增大

后减小的曲线C为丫的浓度曲线,故A正确；曲线的斜率表示反应速率,

根据图像,O~t∣s内，V(Y)<v(Z),故B错误;t2s时，曲线C表示的丫的

浓度逐渐减小,说明Y的消耗速率大于生成速率,故C正确;根据图

像,tɜs后仍存在Y,没有X,假设Y的剩余浓度为c(Y),由①X-Y可

知X完全转化为Y时,Y的浓度为C0mol-L,根据②丫一2Z,生成的

c(Z)=2c0mol∙L-2c(Y),故D错误。

2(g)+O2(g)-2S03(g)ΔH<0已达平衡,如果其他条件不变时,分别

改变下列条件,对化学反应速率和化学平衡产生影响，下列条件与图

像不相符的是（o~ti：V正=V逆;tι时改变条件,t2时重新建乂平

衡）（C）

C升高温度D.加入催化剂

解析:增加O2的浓度,V正增大,V逆瞬间不变,A正确；增大压强,V正、V逆

瞬间都增大,V正增大的倍数大于V逆,B正确；升高温度,V正、V逆瞬间都

增大,C错误;加入催化剂,V正、V逆同时同倍数增大,D正确。

逊m平衡类常规图像分析

3.（2022•广东深圳月考）下列图示与对应的叙述相符的是（B）

OTIX

TI

A.图甲表示镁条与盐酸反应的化学反应速率随反应时间变化的曲线,

说明3s溶液的温度最高

B.图乙是恒温密闭容器中发生CaeO3（S）IaO（S）+CO2（g）反应时

C（Co1随反应时间变化的曲线,说明3s改变的条件可能是缩小容器

的体积

C.图丙表示等量N()2在容积相同的恒容密闭容器中，不同温度下分别

发生反应:2N02(g)nN20i(g),相同时间后测得NO2含量的曲线，则该

反应的AHX)

D图丁表示密闭容器中CH4(g)+D0(g)T0(g)+3lUg)达到平衡

时,CHe勺转化率与压强、温度的变化关系曲线,说明p1>p2

解析:镁条与盐酸的反应是放热反应,开始反应时温度升高,速率加快,

随着反应进行,浓度逐渐降低,速率的影响以浓度为主，导致速率下降,

但反应继续进行,温度继续升高,所以t1s时溶液的温度不是最高,故

A错误;Ls二氧化碳的浓度瞬间升高,然后逐渐降低,可能是缩小容器

的体积,故B正确；由图可知,达到平衡后,继续升温,二氧化氮的含量

增加,说明升温逆向进行,则该反应的AH<O,故C错误；由图可知,在

温度相同的情况下,增大压强,平衡逆向进行，甲烷的转化率减小，则

P2时甲烷的转化率低,压强大，即p1<p2,故D错误。

4.(双选)(2021•山东百师联盟联考)在恒容、NL和NO的起始浓度一

定的条件下,分别以VWTi/ACO、VWTi∕AC10>VWTi∕AC50>VWTi∕AC70

为催化剂,发生反应4NH3(g)+6N0(g)-5N2(g)+6H20(g)△H<0,

相同时间内测得不同温度下NO转化为N的转化率如图a所示,温度升

高有副产物N2O生成,测得不同温度N2O的生成量如图b所示。下列说

法正确的是(BD)

IOO

E

d

d

、

赵

送

O

Z

40

20

150200250300350400450500

A.以VWTi/ACO为催化剂,温度局于400℃,曲线上的任一点均是对应

温度下的平衡点

B.VWTi∕AC50在T>350℃之后NO转化率降低的可能原因是有副反应

的发生

C.图中X点所示条件下,增加Nk浓度不能提高NO转化率

D.250℃时K=I024,若起始时充入C(NH3)=C(NO)=C(M)=I

11

mol∙L,c(H2O)=2ɪnol∙L,贝IJV正>v逆

解析:催化剂不会影响平衡转化率,温度高于400C同温度使用其他

催化剂,NO转化率比VWTi/ACO高,说明温度高于400℃,WTi/ACO催

化下曲线上对应的点均不是该温度下的平衡点,A项错误;根据题干信

息结合图像,温度升高有副产物N2O生成,则VWTi∕AC50在T>350℃之

后NO转化率降低的可能原因为有副反应的发生,B项正确;X点增加

NL浓度,反应正向进行的程度增大，能提高NO转化率,C项错误;250℃

时K=I024,若起始时充入C(NH3)=c(NO)=c(N2)=lmol∙L',c(H20)=2

mol∙Li,Q=c：*二c6%,64<1024,因此反应正向进行，则V正>v逆,D

4b

C(NH3)∙c(NO)

项正确。

＞类型二

L转化率(脱除率)一温度图像

［典例1］研究发现利用NL可消除硝酸工业尾气中的NO污染。NL与

NO的物质的量之比分别为1：3、3：1、4：1时,NO脱除率随温度变

化的曲线如图所示。

⑴曲线a中,NO的起始浓度为6*ICT*mg∙m^3,从A点到B点经过0.8

3

s,该时间段内NO的脱除速率为mg-m∙s^'0

(2)曲线b对应的NL与No的物质的量之比是,其理由

是_______________________________________________________

解析：(1)从A点到B点的浓度变化为(0.75-0.55)×6×104

43,

mg-in"*IOmg-m^,脱除速率为三凹空X10mg-m'-s^'0

0.8s

(2)根据勒夏特列原理,NH：,与NO的物质的量之比越大,NHs的量越多，

促使平衡向正反应方向移动,NO的脱除率越大,再根据图像,可推得曲

线b对应的NL与NO的物质的量之比为3：1。

×104（2）3：1NL与NO的物质的量之比越大,NL的量就越多,促

使平衡向正反应方向移动,NO的脱除率越大

［典例2］汽车使用乙醇汽油并不能减少N0、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转化为总的转化率随温度

变化情况如图所示。

▲Co剩余的百分率

□缥黑=1条件下,NO还原为N?的转化率

⑴在喘=1条件下，最佳温度应控制在一左右。

⑵若不使用C0,温度超过775K,发现NO的分解率降低,其可能的原

因

为

⑶用平衡移动原理解释加入CO后NO转化为Nz的转化率增大的原

因：________________________________________________________

___________________________________________________________________________________O

解析：（1）由图可知,在嚅=1条件下,温度控制在870K左右时NO还

原为岫的转化率接近100%。（2）由于该反应放热,温度超过775K,反

应向逆反应方向进行,导致NO的分解率降低。（3）加入的CO会与NO

的分解产物发生反应,促进NO分解平衡向生成岫的方向移动，导致

NO的转化率升高。

答案：(1)870K(860-880K范围内都可以)(2)NO直接分解成的

反应放热,升高温度,反应向逆反应方向进行

⑶加入的CO会与NO的分解产物发生反应,促进NO分解平衡向生

成N2的方向移动，导致NO的转化率升高

2•产率(转化率)_催化剂图像

［典例3］采用一种新型的催化剂(主要成分是Cu-Mn合金)，利用CO和

上制备二甲醛(屈0出)。

主反应:2C0(g)+4H2(g)-=CH3OCH3(g)+H2O(g)

副反应:C0(g)+H2O(g)K)2(g)+H2(g)

C0(g)+2H2(g)TH3OH(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。

80

60

40

20

0

1.02.03.04.0MMn)

n(Cu)

则催化剂中陪约为时最有利于二甲醛的合成。

n(Cu)----------

解析：由题图可知当催化剂中陪约为2.0时,CO的转化率最大,生成

n(Cu)

的二甲醴最多。

［典例4］以二氧化钛表面覆盖CU2AI2O1为催化剂,可以将C02和CHl直

接转化成乙酸。在不同温度下催化剂的催化效率与乙酸的生成速率如

图所示。250~300℃时,温度升高而乙酸的生成速率降低的原因

是

反应温度汽

解析:在两条曲线中注意弄清每条曲线所表示的含义，分析两个量之

间内在的联系。这里涉及影响反应速率的两个因素为催化剂和温度,

弄清影响因素即可。所以250~300℃时,温度升高而乙酸的生成速

率迅速降低的原因是温度超过250℃时,催化剂的催化效率降低。

答案:温度超过250℃时,催化剂的催化效率降低

'τ关键能力房市

1.（2021•江苏盐城三模）在常压、Ru/TiOz催化下,CO2和乩混合气体

（体积比1：4）进行反应,测得CO?转化率、CHi和CO的选择性（即⑩

转化生成CHi或Co的百分比）随温度变化如图所示。

150200250300350400450500550

温度汽

反应I:CO2(g)+4H2(g)-CHi(g)+2H20(g)ΔH1

反应II:CO2(g)+H2(g)-CO(g)+H2O(g)ΔH2

下列说法正确的是(D)

I、Z∖H2都小于零

B.改变压强,对CO产量没有影响

C.反应I的平衡常数可表示为K=C(Ct)：；*2)

」的选择性,可采用控制反应温度、调节压强等措施

解析：由图可知,温度高于400C时一,升高温度,CH1的选择性减小，即

反应I的CO2转化率下降,平衡逆向移动,所以反应I的△乩小于零，

升高温度,CO的选择性增加，即反应II的CO2转化率上升,平衡正向移

动,所以反应∏的△乩大于零,故A错误;若增大压强,反应I正向移

动,C。2的浓度减小,对反应II而言,反应物浓度减小,平衡逆向移动，

则CO产量减少，故B错误;水是气态的,有浓度变化,反应I的平衡常

数可表示为K，陕…普°)，故C错误；由图可知,温度高于400℃时

CHl的选择性降低,反应I是气体分子数减小的反应,增大压强平衡正

向移动，则降低温度、增大压强可提高CH」的选择性，故D正确。

2.(2021•江苏泰州联考)在体积为1L的恒容容器中，用CO?和乩合

成甲醇:CO2(g)+3H2(g)-CH3OH(g)+H2O(g)△H。相同时间内不同的

温度下,将1molCO2和3mol乩在反应器中反应,测定CHQH的产率

与温度的关系如图所示。下列说法正确的是(D)

A图中X点V(正)>v(逆)

B.图中P点所示条件下,延长反应时间不能提高CH3OH的产率

C.该反应的AH>0

D.520K下,X点所对应甲醇的产率为50%,则平衡常数K=A

解析：已知随着温度的升高,反应达到平衡时时间会缩短,故最高点左

边,反应均未达到平衡,最高点右边,反应均处于平衡状态,X点

v(正)=v(逆)，A项错误;P点所示的条件下,反应还未达到平衡状态，

延长时间可以提高甲醇的产率,B项错误；由题图分析得,该反应为放

热反应,C项错误;X点所对应的反应处于平衡状态,根据题给信息可

列出三段式，

CO2(g)+3H2(g)-CH3OH(g)+H2O(g)

初始/

(mol∕L)1300

变化/

(mol∕L)

平衡/

(mol∕L)0.5

容器体积为1L,故平衡常数K=C(C弁H)•*2。)qD项正确。

3

C(CO2)∙C(H2)27

3.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

答案:Mn200℃左右b~a段,开始温度较低,催化剂活性较低,脱

氮反应速率较慢,反应还未达到平衡,随着温度升高反应速率增大,一

定时间参与反应的氮氧化物变多，导致脱氮率逐渐增大

4.在一定条件下，向恒容密闭容器中充入1.0molCO2和3.0molH2,

在一定温度范围内发生如下转化:CO2(g)+3H2(g)-CH3OH(g)+H2O(g)

ʌH=-χkJ∙mol1(x>0)□在不同催化剂作用下,相同时间内Co2的平衡

转化率随温度的变化如图所示。

COz的平衡转化率/%

°TiT1TiTiT5温度/K

(1)催化效果最佳的是催化剂(填“I”“∏”或“HI");b

点V正(填”>”或J")V逆。

⑵此反应在a点时已达到平衡状态,a点的转化率比C点高的原因

是。

答案:(1)I>(2)该反应为放热反应,升高温度,平衡逆向移动

走进新高考

1.(2020・天津卷，16节选)用乩还原CO,可以在一定条件下合成

CH3OH(不考虑副反应)

CO2(g)+3H2(g)-CH3OH(g)+H2O(g)ΔH<0

(1)某温度下,恒容密闭容器中,CO2和艮的起始浓度分别为amol∙L1

1

和3amol-L,反应平衡时,CH3OH的产率为b,该温度下反应平衡常

数的值为o

(2)恒压下,CO?和乩的起始物质的量比为1：3时,该反应在无分子筛

膜时甲醇的平衡产率和有分子筛膜时甲醇的产率随温度的变化如图

所示,其中分子筛膜能选择性分离出H2Oo

▲△有分子筛膜

%一

∕・无分子筛膜

⅛

45一

τ

√25

%I

≡-

5-..........................................

200220240温度汽

①甲醇平衡产率随温度升高而降低的原因

为O

②P点甲醇产率高于T点的原因

为O

③根据上图,在此条件下采用该分子筛膜时的最佳反应温度

为0Co

解析：(1)恒温恒容条件下进行反应,平衡时,CH3OH的产率为b,则反应

物转化率为b,按“三段式”法计算，

CO2(g)+3H2(g)-CH3OH(g)+H2O(g)

起始浓度/

(mol∙L')a3a00

转化浓度/

(mol∙L')ab3ababab

平衡浓度/

(mol∙L1)a(l-b)3a(l-b)abab

则该温度下反应平衡常数K=

2

C(CH3OH)∙C(H2O)-b

324

c(CO2)∙C(H2)^―27a(l-b)°

(2)①图中有分子筛膜时,P点甲醇产率最大,达到平衡状态,P点后甲

醇的产率降低,其原因是合成甲醇的反应为放热反应,升高温度,平衡

逆向移动，甲醇产率降低。②P点有分子筛膜,T点无分子筛膜,而分子

筛膜能选择性分离出IO,使平衡正向移动,提高甲醇的产率。③由题

图可知，当有分子筛膜,温度为210。C时-，甲醇产率最大,故该分子筛

膜的最佳反应温度为210℃

答案：⑴M、4

27a2(l-b)

(2)①该反应为放热反应,温度升高,平衡逆向移动

②分子筛膜从反应体系中不断分离出产物H2O,有利于反应正向进行，

甲醇产率升高

③210

2.(2021・山东卷,20)2-甲氧基-2-甲基丁烷(TAME)常用作汽油原添

加剂。在催化剂作用下,可通过甲醇与烯垃的液相反应制得,体系中同

时存在如图反应：

反应［：∕γ+CHQH旦二∆H,

ATAME

反应ɪɪ:^ʌl^+CH,OH旦二∆H2

BTAME

反应IH:八|Iz5=iYZ

回答下列问题：

⑴反应I、n、In以物质的量分数表示的平衡常数限与温度T变化

关系如图所示。据图判断,A和B中相对稳定的是

(用系统命名法命名)；警的数值范围是(填标号)。

A.<-lB.-1~0

C.0~lD.>1

5-

⅛4^

M3-

2-

1-

O-

0.00280.00290.00300.0031

^∙∕K^'

(2)为研究上述反应体系的平衡关系，向某反应容器中加入1.0mol

TAME,控制温度为353K,测得TAME的平衡转化率为α。已知反应III

的平衡常数Kχ3=9.0,则平衡体系中B的物质的量为mol,反

应I的平衡常数Kxl=o同温同压下,再向该容器中注入惰性

溶剂四氢吠喃稀释,反应I的化学平衡将(填“正向移动”“逆

向移动”或“不移动”)，平衡时,A与CHQH物质的量浓度之比c(A)：

c(CH3OH)=。

(3)为研究反应体系的动力学行为，向盛有四氢吠喃的另一容器中加

入一定量A、B和CH3OHo控制温度为353K,A、B物质的量浓度C随

反应时间t的变化如图所示。代表B的变化曲线为(填“X”或

“Y")jt=100s时，反应HI的正反应速率V正逆反应速率V逆

（填“>”“<”或J”）。

0.04-∖χ^00001i）曲线丫

o.oo-I------JITI——ɪ—

0100200300400500600

/∕s

解析：(1)由平衡常数KX与温度T变化关系曲线可知,反应I、II、In

的平衡常数的自然对数随温度升高(要注意横坐标为温度的倒数)而

减小,说明3个反应均为放热反应，即△&〈()、ΔH2<0^AWO,因此,B

的总能量低于A的总能量,能量越低越稳定,A和B中相对稳定的是B,

其用系统命名法命名为2-甲基-2-丁烯；由盖斯定律可知，ITI=III,

则ΔH,-ΔH2=ΔH3<0,因此△H<△H2,由于放热反应的ΔH越小，其绝对

值越大,则警的数值范围是大于1,故选Do

AH2

⑵向某反应容器中加入1.0molTAME,控制温度为353K,测得TAME

的平衡转化率为α,则平衡时n(TAME)=(『a)

mol,n(A)+n(B)=n(CH3OH)=ɑmolo已知反应ΠI的平衡常数降=9.0,

则嘤=9.0,将该式代入上式可以求出平衡体系中B的物质的量为0.9

n(A)

l-a2、

ɑmol,n(A)=0.1ɑmol,反应I的平衡常数KXI=OI*tt」。(、如。

,l+α八1+〃

同温同压下,再向该容器中注入惰性溶剂四氢吠喃稀释,反应I的化

学平衡将向着分子数增大的方向移动，即逆向移动。平衡时,TAME的

转化率变大,但是平衡常数不变,A与CH3OH物质的量浓度之比不

变，c(A)