高考化学专题复习 专题七　化学反应速率和化学平衡 微专题7　数形结合突破化学平衡图像学案

微专题7　数形结合突破化学平衡图像

　　化学平衡图像是高考常考题型,一般考查速率—压强(或温度)图像、物质的量(或浓度)—时间图像、含量(或转化率)—时间—温度(或压强)图像、恒温线(或恒压线)图像等。图像作为一种思维方法在解题过程中也有着重要作用,可以将一些较为抽象的知识转化为图像,进行解决。图像中蕴含的信息具有简明、直观、形象的特点,化学平衡图像题的命题形式灵活,解题的关键是根据反应特点,明确反应条件,认真分析图像,充分挖掘蕴含的信息,紧扣化学原理,找准切入点解决问题。解答此类题目的一般思路和技巧如下:

1.化学平衡图像题的解题思路

2.化学平衡图像题解题技巧

(1)先拐先平数值大:在含量(或转化率)—时间曲线中,先出现拐点的先达到平衡,表示温度较高、有催化剂或压强较大等。

(2)定一议二:当图像中有三个量时,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。

类型一　速率—压强(或温度)图像

◆典型案例

例1　可逆反应mA(g)nB(g)+pC(s)　ΔH=Q,温度和压强的变化对正、逆反应速率的影响分别符合下图中的两个图像,以下叙述正确的是              (　　)

　　A.m>n,Q>0　　　　B.m>n+p,Q>0

C.m>n,Q<0　　　　D.m<n+p,Q<0

　　答案　C　由题图可知,正反应速率与逆反应速率的交点为平衡状态;达到平衡时,升高温度,v正、v逆都增大,且v逆>v正,平衡向逆反应方向移动,逆反应为吸热反应,故ΔH<0,即Q<0;达到平衡时,增大压强,v正、v逆都增大,且v正>v逆,平衡向正反应方向移动,正反应为气体体积减小的反应,故m>n,C正确。

规律方法

　　对于速率—温度(或压强)图像,随着温度逐渐升高或压强逐渐增大,反应速率会逐渐增大,因此图像上呈现的是平滑的递增曲线。

根据温度或压强对化学反应速率的影响,可以判断反应速率曲线的变化趋势。需要注意的是:

①温度或压强的改变对正、逆反应速率的影响是一致的,反映到图像上,就是v(正)、v(逆)两条曲线的走势大致相同;

②分析外界条件对反应速率的影响时,只能分析达到平衡之后化学反应速率的变化情况。

类型二　物质的量(或浓度)—时间图像

◆典例探究

例2　某温度下,A、B、C三种物质的浓度c随着时间t变化的关系如图所示,则该反应的化学方程式为　　　　　　　　　　　　,A的转化率为　　　　　　　　　　　。 

　　答案　A+2B3C　33.3%

规律方法

　　浓度—时间图像注意图中转折点(达到平衡)的时刻相同,各物质浓度变化的内在联系,各物质浓度变化的比与化学方程式中的化学计量数的关系。解答此类问题要先弄清楚两个问题:何为反应物、生成物;反应物、生成物的化学计量数关系。

类型三　含量(或转化率)—时间—温度(或压强)图像

◆典型案例

例3　(2020江苏扬州期末)在恒容密闭容器中发生反应2SiHCl3(g)SiH2Cl2(g)+SiCl4(g)。在323K和343K时SiHCl3的转化率随时间变化的结果如图所示。下列说法正确的是(　　)

A.323K时,缩小容器体积可提高SiHCl3的转化率

B.a、b点对应的反应速率大小关系:v(a)<v(b)

C.343K时,上述反应的化学平衡常数约为0.02

D.2SiHCl3(g)SiH2Cl2(g)+SiCl4(g)的正反应为放热反应

答案　C　2SiHCl3(g)SiH2Cl2(g)+SiCl4(g)反应中,气体的体积保持不变,则缩小容器体积,压强增大,平衡不移动,SiHCl3的转化率不变,故A项错误;由题图可知,a、b点对应的SiHCl3的转化率相等,根据先拐先平数值大原则可知,a点对应的温度高,则反应速率:v(a)>v(b),故B项错误;343K时,SiHCl3的平衡转化率为22%,设SiHCl3的起始浓度为1mol/L,则转化的SiHCl3物质的量浓度为1mol/L×22%=0.22mol/L,列出“三段式”如下:

2SiHCl3(g)SiH2Cl2(g)+SiCl4(g)

起始浓度(mol/L)　　1　　        0　　    0

转化浓度(mol/L)　　0.22　　    0.11　　  0.11

平衡浓度(mol/L)　　0.78　　     0.11　　  0.11

因此343K时,上述反应的化学平衡常数=≈0.02,故C项正确;从题图可看出,升高温度,有利于SiHCl3的转化,则平衡向正反应方向移动,说明2SiHCl3(g)SiH2Cl2(g)+SiCl4(g)的正反应为吸热反应,故D项错误。

规律方法

　　1.先看拐点:先出现拐点的先达到平衡,表示T(或p)的数值较大;

2.再看平台:联系勒夏特列原理;

3.曲线的斜率反映了反应速率的大小。

类型四　恒温线(或恒压线)图像

◆典型案例

例4　(2020山东日照期中)已知向体积可变的密闭容器中充入一定量的CH4(g)和O2(g)发生反应生成CO(g)和H2(g),CH4(g)的平衡转化率与温度(T)和压强(p)的关系如图所示(已知T1>T2)。下列说法正确的是              (　　)

　　A.该反应的ΔH>0

B.M、N两点的H2的物质的量浓度:c(M)>c(N)

C.温度不变时,增大压强可由N点到P点

D.N、P两点的平衡常数:K(N)<K(P)

　　答案　B　已知T1>T2,升高温度,CH4的平衡转化率降低,平衡向逆反应方向移动,逆反应为吸热反应,正反应为放热反应,ΔH<0,故A错误;由题意可知发生反应CH4+O22CO+2H2,压强增大,平衡逆向移动,同时体积缩小,故H2的物质的量浓度:c(M)>c(N),故B正确;两条曲线的温度不同,增大压强不能从N点到P点,故C错误;平衡常数只和温度有关,T1>T2,升高温度,平衡向逆反应方向移动,所以平衡常数变小,K(N)>K(P),故D错误。

规律方法

　　该图像中有两个变量,采用“定一议二”的方法,此题的关键点是做一条垂直的辅助线,以及恒温条件下分析压强的变化。该类题的解题方法:结合横坐标先看趋势,再做辅助线,最后比较纵坐标大小。

1.(2020云南昆明测评)某化学研究小组探究外界条件对化学反应mA(g)+nB(g)pC(g)的速率和平衡的影响图像如下,下列判断正确的是              (　　)

A.由图1可知,T1<T2,该反应的正反应为吸热反应

B.由图2可知,该反应m+n<p

C.图3中,点3的反应速率:v正>v逆

D.图4中,若m+n=p,则曲线a一定使用了催化剂

答案　C　根据“先拐先平数值大”,由题图1可知温度:T1<T2,升高温度,C的体积分数减小,说明该反应的正反应为放热反应,故A错误;由题图2可知,温度相同增大压强,C的体积分数增大,说明正反应为体积减小的反应,即m+n>p,故B错误;温度一定时,题图3中曲线上任意一点都表示达到平衡状态,所以点2、4处于平衡状态,v正=v逆,点3在曲线下方,平衡向右移动,v正>v逆,故C正确;曲线a速率加快、平衡没移动,若m+n=p,曲线a可能使用了催化剂或加压,故D错误。

2.(2021江西南昌月考)对于反应:4CO(g)+2NO2(g)4CO2(g)+N2(g)　ΔH=-1200kJ·mol-1,温度不同(T2>T1),其他条件相同时,下列图像正确的是              (　　)

答案　B　升高温度,正、逆反应速率都发生突变,故A错误;升高温度,反应速率加快,平衡逆向移动,NO2的转化率减小,故B正确;增大压强,平衡正向移动,CO的体积分数减小,故C错误;升高温度,平衡逆向移动,化学平衡常数减小,故D错误。

3.(2020四川成都月考)T℃时,在一固定容积的密闭容器中发生反应:A(g)+B(g)C(s)　ΔH<0,按照不同配比充入A、B,达到平衡时容器中A、B浓度变化如图中曲线(实线)所示,下列判断正确的是              (　　)

A.T℃时,该反应的平衡常数值为4

B.c点没有达到平衡,此时反应逆向进行

C.若c点为平衡点,则此时容器内的温度高于T℃

D.T℃时,直线cd上的点均为平衡状态

答案　C　根据化学平衡常数的表达式并结合题图中曲线可知,K=1/[c(A)×c(B)]=1/4,故A错误;c点没有达到平衡,如果要达到平衡,应向d点移动,A、B的浓度降低,说明平衡向正反应方向移动,故B错误;如果c点达到平衡,此时的化学平衡常数小于T℃时的化学平衡常数,说明平衡向逆反应方向移动,即升高温度,故C正确;T℃时,只有曲线(实线)上的点处于平衡状态,c点不是平衡状态,故D错误。

4.(2020江西南昌模拟)硫酸是基础化工的重要产品,生产硫酸的主要反应为SO2(g)+O2(g)SO3(g)。

(1)恒温恒容下,平衡体系中SO3的体积分数φ(SO3)和y与SO2、O2的物质的量之比[n(SO2)/n(O2)]的关系如图1所示,则b点n(SO2)/n(O2)=　　　　　;y为　　　　(填字母)。 

A.平衡常数　　　　B.SO3的平衡产率

C.O2的平衡转化率　　　　D.SO2的平衡转化率

(2)①该反应的催化剂为V2O5,其催化反应过程为

SO2+V2O5SO3+V2O4　K1

O2+V2O4V2O5　K2

则在相同温度下2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)的平衡常数K=　　　　(用含K1、K2的代数式表示)。 

②其催化活性与温度的关系如图2所示。V2O5加快反应速率的原因是　                。 

(3)在7%SO2、11%O2、82%N2(数值均为气体体积分数)时,SO2平衡转化率与温度、压强的关系如图3所示,则计算460℃、1atm下,SO2(g)+O2(g)SO3(g)的Kp=　　　　　　(已知:各气体的分压=总压×各气体的体积分数)。 

答案　(1)2　D　(2)①(K1×K2)2　②降低反应的活化能,活化分子百分数增大,有效碰撞概率提高　(3)117

解析　(1)根据题图1可知,随着n(SO2)/n(O2)的逐渐增大,φ(SO3)逐渐增大,当两者恰好完全反应时,φ(SO3)达到最大值;随着n(SO2)/n(O2)的继续增大,φ(SO3)又逐渐减小,故b点n(SO2)/n(O2)=2。温度不变,平衡常数不变,A不符合题意;随着n(SO2)/n(O2)的逐渐增大,φ(SO3)先逐渐增大后又逐渐减小,SO3的平衡产率也是先增大后逐渐减小,B不符合题意;随着n(SO2)/n(O2)的逐渐增大,反应不断向正反应方向移动,O2的平衡转化率逐渐增大,但是SO2的平衡转化率逐渐减小,故C不符合题意、D符合题意。

(2)①根据盖斯定律,将两个方程式相加后再乘以2得2SO2(g)+O2(g)2SO3(g),则K=(K1×K2)2。

②催化剂能够降低反应的活化能,活化分子百分数增大,有效碰撞概率提高,反应速率加快。

(3)各气体的分压=总压×各气体的体积分数,起始时SO2的分压为0.07atm,O2的分压为0.11atm,SO3的分压为0atm,平衡时,SO2的分压为0.07×(1-0.97)atm=0.0021atm,O2的分压为0.11-0.07×0.97×atm=0.07605atm,SO3的分压为0.07×0.97atm=0.0679atm,

Kp=≈117。