教辅：高考化学复习之化学反应速率与化学平衡图象分析

专题提升三化学反应速率与化学平衡图象分析化学反应速率与化学平衡相关试题是近年高考的常考内容，而利用图象为载体考查化学反应速率与化学平衡问题，从而实现高考化学大纲提出的对学生观察能力、思维能力、信息处理能力的考查，尤其突出考查学生对图象、表格中的数据进行分析的能力。1.解题步骤。2.解题技巧。(1)先拐先平。在含量(转化率)—时间曲线中，先出现拐点的先达到平衡，说明该曲线反应速率快，表示温度较高、有催化剂、压强较大等。(2)定一议二。当图象中有三个量时，先确定一个量不变，再讨论另外两个量的关系，有时还需要作辅助线。(3)三步分析法。一看反应速率是增大还是减小；二看v正、v逆的相对大小；三看化学平衡移动的方向。一、浓度—时间图象[例1]已知NO2和N2O4可以相互转化：2NO2(g)N2O4(g)(正反应为放热反应)。现将一定量NO2和N2O4的混合气体通入一体积为1L的恒温密闭容器中，反应物浓度随时间变化关系如下图所示，回答下列问题：(1)图中共有两条曲线X和Y，其中曲线__________表示NO2浓度随时间的变化；a、b、c、d四个点中，表示化学反应处于平衡状态的点是________。(2)前10min内用NO2表示的化学反应速率v(NO2)＝__________mol·L－1·min－1；反应进行至25min时，曲线发生变化的原因是_______________________________________。(3)若要达到与最后相同的化学平衡状态，在25min时还可以采取的措施是________。A.加入催化剂B.缩小容器体积C.升高温度D.加入一定量的N2O4解析：(1)曲线X在0～10min达到平衡时浓度变化了0.4mol·L－1，而曲线Y在0～10min达到平衡时变化了0.2mol·L－1，所以可得X曲线为NO2的浓度变化曲线；达到平衡时浓度不再随时间而发生变化，所以b、d点均表示反应已达到平衡状态。(2)NO2在0～10min达到平衡时浓度变化了0.4mol·L－1，所以用NO2表示的反应速率为0.04mol·L－1·min－1；而在25min时，NO2的浓度由0.6mol·L－1突变为1.0mol·L－1，而N2O4的浓度在25min时没有发生改变，所以可得此时改变的条件是向容器中加入了0.4molNO2。(3)加入NO2后平衡正向移动，所以若要达到与最后相同的化学平衡状态，还可通过增大压强(缩小容器体积)，使平衡也同样正向移动；或者采取降低温度的方法，使平衡正向移动；也可以向容器中充入一定量N2O4，因为这样相当于增大容器中气体的压强，使得NO2的转化率提高，即达到与最后相同的平衡状态。答案：(1)Xbd(2)0.04加入了0.4molNO2(或加入了NO2)(3)BD[变式训练]1.(2016届吉林实验中学三模)298K时，在2L固定体积的密闭容器中，发生可逆反应：2NO2(g)N2O4(g)ΔH＝－akJ·mol－1(a0)。N2O4的物质的量浓度随时间的变化如下图。达平衡时，N2O4的浓度为NO2的2倍，若反应在398K进行，某时刻测得n(NO2)＝0.6mol，n(N2O4)＝1.2mol，则此时，下列大小关系正确的是()。A.v(正)v(逆)B.v(正)v(逆)C.v(正)＝v(逆)D.v(正)、v(逆)大小关系不确定答案：B解析：298K时，反应平衡常数K1＝cN2O4c2NO2＝0.60.32＝203，2NO2(g)N2O4(g)ΔH＝－akJ·mol－1(a0)，温度升高平衡向左移动，K值减小，现398K时Qc＝cN2O4c2NO2＝21.220.62＝203＝K1，可知此时不是平衡状态，反应向逆方向移动，即v(正)v(逆)。二、含量(转化率)—时间—温度(压强)图象[例2](2016届江西抚州临川二中期中)对于反应N2O4(g)2NO2(g)在温度一定时，平衡体系中NO2的体积分数φ(NO2)随压强的变化情况如图所示(实线上的任何一点为对应压强下的平衡点)，下列说法正确的是()。A.A、C两点的正反应速率的关系为A＞CB.A、B、C、D、E各状态中，v(正)v(逆)的是状态EC.维持p1不变，E→A所需时间为x；维持p2不变，D→C所需时间为y，则x＜yD.使E状态从水平方向到达C状态后，再沿平衡曲线到达A状态，从理论上来讲，可选用的条件是从p1突然加压至p2，再由p2无限缓慢降压至p1思路指导：解答化学平衡的移动图象问题时，注意把握曲线的含义，曲线上的点都是平衡点，若数据比对应的平衡点小，说明反应正向进行，若数据比平衡点大，则反应逆向进行。解析：增大压强，反应速率增大，C点压强大于A点压强，所以C点反应速率快，A错误；处于曲线上的状态为平衡状态，E点二氧化氮的物质的量少于平衡状态的物质的量，反应向正反应方向移动，此时正反应速率大于逆反应速率，D点二氧化氮的物质的量大于平衡状态时的物质的量，反应向逆反应方向移动，此时逆反应速率大于正反应速率，B错误；压强越大，反应速率越大，达到平衡状态时所用的时间越少，E→A和D→C的物质的量变化相等，则xy，C错误；从p1突然加压到p2的瞬间平衡没有移动，二氧化氮的体积分数不变，再缓慢降压时，平衡向正反应方向移动，二氧化氮的体积分数逐渐增大，D正确。答案：D[变式训练]2.(2016届江西师大附中、九江一中期中)下图是氧气氧化某浓度Fe2＋为Fe3＋过程的实验结果，下列有关说法正确的是()。A.pH＝1.5时氧化率一定比pH＝2.5时大B.其他条件相同时，80℃的氧化率比50℃大C.Fe2＋的氧化率仅与溶液的pH和温度有关D.该氧化过程的离子方程式为：Fe2＋＋O2＋4H＋===Fe3＋＋2H2O答案：B解析：由图象分析，Fe2＋的氧化率受温度和pH影响，所以pH＝1.5的氧化率不一定比pH＝2.5时的氧化率大，A错误；其他条件相同温度不同时，Fe2＋的氧化率与温度成正比，温度越高，氧化率越大，B正确；Fe2＋的氧化率不仅与溶液的pH和温度有关，还与离子的浓度等其他因素有关，C错误；该离子方程式中电荷不守恒，D错误。三、恒温线(或恒压线)图象[例3](2016年北京朝阳普通中学质检)如图是温度和压强对X＋Y2Z反应影响的示意图。图中横坐标表示温度，纵坐标表示平衡混合气体中Z的体积分数。下列叙述正确的是()。A.上述可逆反应的正反应为放热反应B.X、Y、Z均为气态C.X和Y中只有一种是气态，Z为气态D.上述反应的正反应的ΔH0解析：由图象曲线变化可知，随着温度的升高，Z的体积分数增大，说明升高温度平衡向正反应方向移动，正反应吸热，故A错误；若X、Y、Z均为气态，反应前后气体的体积不变，增大压强，平衡应不移动，但由图象可知增大压强平衡向逆反应方向移动，故B错误；增大压强，Z的体积分数减小，说明增大压强平衡向逆反应方向移动，则说明反应物的气体计量数之和小于生成物的气体化学计量数，则X和Y中只有一种是气态，Z为气态，故C正确；由A可知，正反应吸热，ΔH＞0，故D错误。答案：C●规律总结已知恒温线或恒压线图象，推断反应的热效应或反应前后气体物质间化学计量数的关系。[以反应A(g)＋B(g)→C(g)中反应物的转化率αA为例说明]。解答这类图象题时应注意以下两点：(1)“定一议二”原则：可通过分析相同温度下不同压强时反应物A的转化率大小来判断平衡移动的方向，从而确定反应方程式中反应物与产物气体物质间的化学计量数的大小关系。如甲中任取一条温度曲线研究，压强增大，αA增大，平衡正移，正反应为气体体积减小的反应，乙中任取横坐标一点作横坐标垂直线，也能得出结论。(2)通过分析相同压强下不同温度时反应物A的转化率的大小来判断平衡移动的方向，从而确定反应的热效应。如利用上述分析方法，在甲中作垂直线，乙中任取一曲线，即能分析出正反应为放热反应。[变式训练]3.工业上在合成塔中采用下列反应合成甲醇：CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)ΔH＝QkJ·mol－1，其中Q0。请在图中画出压强不同、平衡时甲醇的体积分数(φ)随温度(T)变化的两条曲线(在曲线上标出p1、p2，且p1＜p2)。解析：升温，平衡左移，CH3OH的体积分数减小；加压，平衡右移，CH3OH的体积分数增大。答案：四、速率、平衡综合图象[例4](2016届山东枣庄三中质检)“C化学”是指以碳单质或分子中含1个碳原子的物质(如CO、CO2、CH4、CH3OH等)为原料合成工业产品的化学工艺，对开发新能源和控制环境污染有重要意义。(1)一定温度下，在两个容积均为2L的密闭容器中，分别发生反应：CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g)ΔH＝49.0kJ·mol－1，相关数据如下：容器甲乙反应物投入量1molCO2(g)和3molH2(g)1molCH3OH和1molH2O(g)平衡时c(CH3OH)c1c2平衡时能量变化放出29.4kJ吸收akJ请回答：①c1______c2(填“＞”“＜”或“＝”)，a＝________。②若甲中反应10s时达到平衡，则用CO2来表示甲中反应从开始到平衡过程中的平均反应速率是_________mol·L－1·s－1。(2)压强为p1时，向体积为1L密闭容器中充入bmolCO和2bmolH2，发生反应CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)，平衡时CO的转化率与温度、压强的关系如图1所示，请回答：①该反应属于______(填“吸”或“放”)热反应，p1______p2(填“＞”“＜”或“＝”)。②100℃时，该反应的平衡常数K＝________(用含b的代数式表示)。(3)治理汽车尾气的反应是2NO(g)＋2CO(g)2CO2(g)＋N2(g)ΔH＜0；在恒温恒容的密闭容器中通入n(NO)∶n(CO)＝1∶2的混合气体，发生上述反应，下列图象说明反应在进行到t1时刻一定达到平衡状态的是________。图1abcd图2解析：(1)①恒温恒容条件下，乙的投料量极端转化为甲相当于投入1molCO2(g)和3molH2(g)，所以两者是完全等效平衡，平衡时甲醇的浓度相等，所以c1＝c2，甲中放出的热量与乙中吸收的热量之和为49.0kJ，则a＝49.0kJ－29.4kJ＝19.6kJ；②甲中平衡时，放出热量为29.4kJ，所以参加反应的二氧化碳为29.4kJ49.0kJ×1mol＝0.6mol，故v(CO2)＝0.6mol2L10s＝0.03mol·L－1·min－1。(2)①由图可知，压强一定时，温度越高，CO的转化率越低，说明升高温度平衡向逆反应方向移动，故正反应为放热反应；由图象可知，相同温度下p2压强下CO转化率大于p1压强下CO转化率，正反应为气体体积减小的反应，温度一定时，增大压强，平衡向正反应方向移动，CO的转化率增大，所以p1＜p2。②100℃时CO的转化率为50%，故参加反应的CO为0.5bmol，则：CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)起始量/mol变化量/mol平衡量/molb0.5b0.5b2bbb00.5b0.5b由于容器的体积为1L，利用物质的量代替浓度计算平衡常与温度有关，温度不变，则平衡常数始终不变，故a错误；t1时刻CO2与NO浓度相等，t1时刻后二者分浓度仍然继续变化，数，故平衡常数K＝cCH3OHcCO×c2H2＝0.5b0.5b×b＝1b2。(3)平衡常数说明没有达到平衡状态，故b错误；起始通入n(NO)∶n(CO)＝1∶2，二者反应按1∶1进行，随反应进行比例关系发生变化，从t1时刻起n(NO)∶n(CO)不再变化，说明达到平衡，故c正确；反应物的转化率不变，说明达平衡状态，故d正确。答案：(1)①＝19.6②0.03＜(2)①放(3)cd②1b2[变式训练]4.某密闭容器中充入等物质的量的A和B，一定温度下发生反应A(g)＋xB(g)2C(g)，达到平衡后，在不同的时间段，分别改变影响反应的一个条件，测得容器中物质的物质的量浓度、反应速率分别随时间的变化如下图