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2024届高考化学一轮复习 第七章 化学反应速率与化学平衡 第6讲 工业生产中的化学平衡图像分析课件PPT
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这是一份2024届高考化学一轮复习 第七章 化学反应速率与化学平衡 第6讲 工业生产中的化学平衡图像分析课件PPT，共60页。PPT课件主要包含了灵活运用解题技巧，答案B等内容，欢迎下载使用。
(3)方案二：MLiH复合催化剂。
下列说法正确的是______。a．300 ℃时，复合催化剂比单一催化剂效率更高b．同温同压下，复合催化剂有利于提高氨的平衡产率c．温度越高，复合催化剂活性一定越高
解析：(1)对于合成氨反应，常温下，ΔG＝ΔH－TΔS＝－92.4 kJ·ml－1－298 K×(－0.2 kJ·K－1·ml－1)＝－32.8 kJ·ml－1<0，故合成氨反应在常温下能自发进行；(2)其他条件一定时，升高温度，可以提供更高的能量，使活化分子百分数增大，反应速率加快；合成氨反应是放热反应，要提高平衡转化率，即使反应平衡正向移动，应降低温度；
(3)由题图可知，300 ℃时，复合催化剂催化时合成氨反应的反应速率比单一催化剂催化时大很多，说明300 ℃时复合催化剂比单一催化剂效率更高，a正确；同温同压下，复合催化剂能提高反应速率，但不能使平衡发生移动，故不能提高氨的平衡产率，b错误；温度过高，复合催化剂可能会失去活性，催化效率反而降低，c错误。答案：(1)能 (2)高 低 (3)a
2．(2022·全国乙卷·节选)油气开采、石油化工、煤化工等行业废气普遍含有的硫化氢，需要回收处理并加以利用。回答下列问题：已知H2S热分解反应的方程式为2H2S(g)===S2(g)＋2H2(g)。在1 373 K、100 kPa反应条件下，对于n(H2S)∶n(Ar)分别为4∶1、1∶1、1∶4、1∶9、1∶19的H2SAr混合气，热分解反应过程中H2S转化率随时间的变化如图所示。
(1)n(H2S)∶n(Ar)越小，H2S平衡转化率_____________________，理由是__________________________________________________。(2)n(H2S)∶n(Ar)＝1∶9对应图中曲线________________________，计算其在0～0.1 s之间，H2S分压的平均变化率为_______kPa·s－1。
解析：(1)由于正反应是体积增大的可逆反应，n(H2S)∶n(Ar)越小，总压不变，H2S的分压越小，越有利于平衡向正反应方向移动，因此H2S平衡转化率越高；(2)n(H2S)∶n(Ar)越小，H2S平衡转化率越高，所以n(H2S)∶n(Ar)＝1∶9对应的曲线是d；根据图像可知n(H2S)∶n(Ar)＝1∶9反应进行到0.1 s时H2S转化率为24%。假设在该条件下，硫化氢和氩的起始投料的物质的量分别为1 ml和9 ml，则根据三段式可知
(1)用各物质的平衡分压表示总反应的平衡常数，表达式Kp＝____________________。(2)图中对应等压过程的曲线是____________________，判断的理由是____________________。(3)当x(CH3OH)＝0.10时，CO2的平衡转化率α＝_____，反应条件可能为____________________或____________________。
(2)H2和CO2合成甲醇的总反应为放热反应，则升高温度，平衡向逆反应方向移动，即混合气体中的甲醇蒸气含量减小，故曲线b为5×105 Pa时等压过程的曲线，而曲线a为250 ℃时等温过程的曲线。
(2)b 总反应ΔH<0，升高温度时平衡向逆反应方向移动，甲醇的物质的量分数变小 (3)33.3% 5×105 Pa、210 ℃ 9×105 Pa、250 ℃
一、图像解读的关注点和思维趋向1．捕捉图像最基本的信息
(1)横坐标与纵坐标的含义
(2)线的走向与斜率①线的走向：即随着横坐标自变量的增大，纵坐标因变量是变大、变小、还是不变。当纵坐标所表示的物理量，如速率、物质的量浓度、物质的量、转化率或体积分数等不随横坐标的变化而变化时，图像中出现一条直线，那么该反应就到达化学平衡状态。②斜率：是化学平衡图像曲线中一个重要的参数。斜率的应用，通常是对两条不同曲线的斜率进行比较，或者通过比较同一条曲线不同时刻的斜率变化来判断反应是改变了哪些外界条件。
(3)观察化学平衡图像中的“重点”所谓的“重点”，指的就是化学平衡图像中的起点、拐点、终点、交点、突变点等，这些点往往隐藏着许多重要的信息，借助这些“重点”中的有效信息，能够快速地找到解题的思路，突破图像题的难点。(4)跟踪化学平衡图像中量的变化量的变化，指的是纵坐标表示的物理量所发生的变化是由什么外界条件改变而引起的。要解决这个问题，我们经常要借助化学平衡移动理论。
1．“转化率—时间”四种图像
[注意] 纵坐标也可以是某组分的含量。
2．解答这类图像题应遵循的原则和方法
解析：由于该反应的正反应为放热反应，温度升高平衡逆向移动，NO的含量降低，故A项正确，C项错误；该反应的正反应是气体体积增大的反应，压强减小平衡正向移动，NO的含量增大，故B项正确；催化剂的使用只能改变反应速率，不能使平衡发生移动，NO的含量不变，故D项正确。答案：C
类型(二) “定一议二”解决多种变量的平衡图像1．“A的转化率(或C的含量)—温度—压强”四种图像
2.解答这类图像题时应运用“定一议二”原则
解析： A项，由图观察，温度越高，碳的平衡转化率越大，平衡正向移动，正反应为吸热反应，正确；B项，X点是未平衡时，反应正向进行，正反应速率大于逆反应速率，错误；
D项，该选择的原因是两者转化率相差不大，但压强增大对设备要求高，能量需求大，错误。答案：A
(1)此反应的平衡常数表达式K＝______。(2)该反应的ΔH______0(填“＞”“＜”或“＝”)，判断的理由是______________________________。(3)氢碳比：X______2.0(填“＞”“＜”或“＝”)。(4)在氢碳比为2.0时，Q点v(逆) ______P点的v(逆)(填“＞”“＜”或“＝”)。
解析：(2)随温度升高，α(CO2)减小，说明为放热反应，ΔH＜0；(3)在相同温度下，X越大，n(H2)相对越多，α(CO2)越大，故X＞2.0；(4)Q点为非平衡点，该温度下，Q点到P点时α(CO2)增大，反应正向进行，Q点的v正＞v逆，Q点到P点的过程中v正减小，v逆增大，故Q点的v逆＜P点的v逆。
(2)＜ 随温度的升高，α(CO2)减小，说明反应向逆向移动，即逆反应为吸热反应，正反应为放热反应 (3)＞ (4)＜
类型三 反应过程中特定组分的含量变化
A．X、Y两点对应的正反应速率相等B．合成二甲醚反应的ΔH>0C．反应温度应控制在240～260 ℃D．选择合适催化剂，可以提高CO的转化率
解析： X、Y两点所对应的温度不同，故正反应速率不同，A项错误；CO转化率达到最高后再升温，转化率降低，故合成二甲醚的反应为放热反应，即ΔH<0，B项错误；由图像可知，CO的转化率在240～260 ℃可达到最高点，即转化率较大，C项正确；催化剂只能改变化学反应速率，不能使平衡移动，不能提高CO的转化率，D项错误。答案：C
(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“<”)。(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______________________________________________________。
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
三、化工生产中的复杂图像分析(一)关注4类常考图像关注点1 曲线上的每个点是否都达到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。
关注点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。
如以二氧化钛表面覆盖Cu2Al2O4为催化剂，可以将CO2和CH4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。则根据两条曲线可以判断涉及影响反应速率的两个因素：催化剂和温度，250～300 ℃时，温度升高而乙酸的生成速率降低的原因是温度超过250 ℃时，催化剂的催化效率降低。
关注点3 不同的投料比对产率也会造成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。
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。若温度不变，提高投料比[n(H2)/n(CO2)]，则提高了二氧化碳的转化率。
关注点4 考虑副反应的干扰或影响试题往往会有一定的信息提示，尤其温度的改变影响较大。
(二)熟练运用两步解题流程第一步：通过读图识图获取有用信息
在依据化学反应原理中反应速率和平衡移动知识解读图像的基础上，还需要进行如下思考：
第二步：对获取的图像信息进行加工处理(对图像信息加工处理的角度如图所示)
(2)对于反应Ⅰ，总压恒定为100 kPa，在密闭容器中通入C3H8和N2的混合气体(N2不参与反应)，从平衡移动的角度判断，达到平衡后“通入N2”的作用是________________________________。在温度为T1时，C3H8的平衡转化率与通入气体中C3H8的物质的量分数的关系如图a所示，计算T1时反应Ⅰ的平衡常数Kp＝________kPa(以分压表示，分压＝总压×物质的量分数，保留一位小数)。
(3)在温度为T2时，通入气体分压比为p(C3H8)∶p(O2)∶p(N2)＝10∶5∶85的混合气体，各组分气体的分压随时间的变化关系如图b所示。0～1.2 s生成C3H6的平均速率为______kPa·s－1；在反应一段时间后，C3H8和O2的消耗速率比小于2∶1的原因为_______________________。
[解题流程] 第一步：通过读图识图获取有用信息(1)图a中横坐标为通入气体中C3H8的物质的量分数的变化(外界条件变化)，纵坐标为C3H8的平衡转化率(反应体系变化)，其C3H8的平衡转化率随通入气体中C3H8的物质的量分数增大而降低，图中所给的关键点为(0.4,50)。(2)图b中，由横纵坐标可知此图像为时间分压图像，由图可知C3H6时间与分压关系的关键点为(1.2,2.4)。
[答案] (1)271 (2)减小气体浓度，使平衡右移，提高C3H8(g)转化率 16.7 (3)2 H2和C3H6都消耗O2
(1)将n(CO2)∶n(H2)＝1∶4的混合气体充入密闭容器中发生上述反应Ⅰ、Ⅱ，在不同温度和压强时，CO2的平衡转化率如图。0.1 MPa时，CO2的转化率在600 ℃之后，随温度升高而增大的主要原因是_______________________________________________。
①起始时容器内气体的总压强为1.2p kPa，若5 min时反应到达c点，v(H2)＝___________ml·L－1·min－1。②b点时反应的平衡常数Kp＝__________(kPa)－1(以分压表示)。③c点时，再加入CO2(g)和H2O(g)，使二者分压均增大0.05p kPa，则H2的转化率__________(填“增大”“不变”或“减小”)。
解析：(1)反应Ⅰ的ΔH1 <0，反应Ⅱ的ΔH2>0，600 ℃之后，温度升高，反应Ⅱ向右移动，二氧化碳减少的量比反应Ⅰ向左移动二氧化碳增加的量多，所以二氧化碳的转化率增大。
(3)方案二：MLiH复合催化剂。
下列说法正确的是______。a．300 ℃时，复合催化剂比单一催化剂效率更高b．同温同压下，复合催化剂有利于提高氨的平衡产率c．温度越高，复合催化剂活性一定越高
解析：(1)对于合成氨反应，常温下，ΔG＝ΔH－TΔS＝－92.4 kJ·ml－1－298 K×(－0.2 kJ·K－1·ml－1)＝－32.8 kJ·ml－1<0，故合成氨反应在常温下能自发进行；(2)其他条件一定时，升高温度，可以提供更高的能量，使活化分子百分数增大，反应速率加快；合成氨反应是放热反应，要提高平衡转化率，即使反应平衡正向移动，应降低温度；
(3)由题图可知，300 ℃时，复合催化剂催化时合成氨反应的反应速率比单一催化剂催化时大很多，说明300 ℃时复合催化剂比单一催化剂效率更高，a正确；同温同压下，复合催化剂能提高反应速率，但不能使平衡发生移动，故不能提高氨的平衡产率，b错误；温度过高，复合催化剂可能会失去活性，催化效率反而降低，c错误。答案：(1)能 (2)高 低 (3)a
2．(2022·全国乙卷·节选)油气开采、石油化工、煤化工等行业废气普遍含有的硫化氢，需要回收处理并加以利用。回答下列问题：已知H2S热分解反应的方程式为2H2S(g)===S2(g)＋2H2(g)。在1 373 K、100 kPa反应条件下，对于n(H2S)∶n(Ar)分别为4∶1、1∶1、1∶4、1∶9、1∶19的H2SAr混合气，热分解反应过程中H2S转化率随时间的变化如图所示。
(1)n(H2S)∶n(Ar)越小，H2S平衡转化率_____________________，理由是__________________________________________________。(2)n(H2S)∶n(Ar)＝1∶9对应图中曲线________________________，计算其在0～0.1 s之间，H2S分压的平均变化率为_______kPa·s－1。
解析：(1)由于正反应是体积增大的可逆反应，n(H2S)∶n(Ar)越小，总压不变，H2S的分压越小，越有利于平衡向正反应方向移动，因此H2S平衡转化率越高；(2)n(H2S)∶n(Ar)越小，H2S平衡转化率越高，所以n(H2S)∶n(Ar)＝1∶9对应的曲线是d；根据图像可知n(H2S)∶n(Ar)＝1∶9反应进行到0.1 s时H2S转化率为24%。假设在该条件下，硫化氢和氩的起始投料的物质的量分别为1 ml和9 ml，则根据三段式可知
(1)用各物质的平衡分压表示总反应的平衡常数，表达式Kp＝____________________。(2)图中对应等压过程的曲线是____________________，判断的理由是____________________。(3)当x(CH3OH)＝0.10时，CO2的平衡转化率α＝_____，反应条件可能为____________________或____________________。
(2)H2和CO2合成甲醇的总反应为放热反应，则升高温度，平衡向逆反应方向移动，即混合气体中的甲醇蒸气含量减小，故曲线b为5×105 Pa时等压过程的曲线，而曲线a为250 ℃时等温过程的曲线。
(2)b 总反应ΔH<0，升高温度时平衡向逆反应方向移动，甲醇的物质的量分数变小 (3)33.3% 5×105 Pa、210 ℃ 9×105 Pa、250 ℃
一、图像解读的关注点和思维趋向1．捕捉图像最基本的信息
(1)横坐标与纵坐标的含义
(2)线的走向与斜率①线的走向：即随着横坐标自变量的增大，纵坐标因变量是变大、变小、还是不变。当纵坐标所表示的物理量，如速率、物质的量浓度、物质的量、转化率或体积分数等不随横坐标的变化而变化时，图像中出现一条直线，那么该反应就到达化学平衡状态。②斜率：是化学平衡图像曲线中一个重要的参数。斜率的应用，通常是对两条不同曲线的斜率进行比较，或者通过比较同一条曲线不同时刻的斜率变化来判断反应是改变了哪些外界条件。
(3)观察化学平衡图像中的“重点”所谓的“重点”，指的就是化学平衡图像中的起点、拐点、终点、交点、突变点等，这些点往往隐藏着许多重要的信息，借助这些“重点”中的有效信息，能够快速地找到解题的思路，突破图像题的难点。(4)跟踪化学平衡图像中量的变化量的变化，指的是纵坐标表示的物理量所发生的变化是由什么外界条件改变而引起的。要解决这个问题，我们经常要借助化学平衡移动理论。
1．“转化率—时间”四种图像
[注意] 纵坐标也可以是某组分的含量。
2．解答这类图像题应遵循的原则和方法
解析：由于该反应的正反应为放热反应，温度升高平衡逆向移动，NO的含量降低，故A项正确，C项错误；该反应的正反应是气体体积增大的反应，压强减小平衡正向移动，NO的含量增大，故B项正确；催化剂的使用只能改变反应速率，不能使平衡发生移动，NO的含量不变，故D项正确。答案：C
类型(二) “定一议二”解决多种变量的平衡图像1．“A的转化率(或C的含量)—温度—压强”四种图像
2.解答这类图像题时应运用“定一议二”原则
解析： A项，由图观察，温度越高，碳的平衡转化率越大，平衡正向移动，正反应为吸热反应，正确；B项，X点是未平衡时，反应正向进行，正反应速率大于逆反应速率，错误；
D项，该选择的原因是两者转化率相差不大，但压强增大对设备要求高，能量需求大，错误。答案：A
(1)此反应的平衡常数表达式K＝______。(2)该反应的ΔH______0(填“＞”“＜”或“＝”)，判断的理由是______________________________。(3)氢碳比：X______2.0(填“＞”“＜”或“＝”)。(4)在氢碳比为2.0时，Q点v(逆) ______P点的v(逆)(填“＞”“＜”或“＝”)。
解析：(2)随温度升高，α(CO2)减小，说明为放热反应，ΔH＜0；(3)在相同温度下，X越大，n(H2)相对越多，α(CO2)越大，故X＞2.0；(4)Q点为非平衡点，该温度下，Q点到P点时α(CO2)增大，反应正向进行，Q点的v正＞v逆，Q点到P点的过程中v正减小，v逆增大，故Q点的v逆＜P点的v逆。
(2)＜ 随温度的升高，α(CO2)减小，说明反应向逆向移动，即逆反应为吸热反应，正反应为放热反应 (3)＞ (4)＜
类型三 反应过程中特定组分的含量变化
A．X、Y两点对应的正反应速率相等B．合成二甲醚反应的ΔH>0C．反应温度应控制在240～260 ℃D．选择合适催化剂，可以提高CO的转化率
解析： X、Y两点所对应的温度不同，故正反应速率不同，A项错误；CO转化率达到最高后再升温，转化率降低，故合成二甲醚的反应为放热反应，即ΔH<0，B项错误；由图像可知，CO的转化率在240～260 ℃可达到最高点，即转化率较大，C项正确；催化剂只能改变化学反应速率，不能使平衡移动，不能提高CO的转化率，D项错误。答案：C
(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“<”)。(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______________________________________________________。
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
三、化工生产中的复杂图像分析(一)关注4类常考图像关注点1 曲线上的每个点是否都达到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。
关注点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。
如以二氧化钛表面覆盖Cu2Al2O4为催化剂，可以将CO2和CH4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。则根据两条曲线可以判断涉及影响反应速率的两个因素：催化剂和温度，250～300 ℃时，温度升高而乙酸的生成速率降低的原因是温度超过250 ℃时，催化剂的催化效率降低。
关注点3 不同的投料比对产率也会造成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。
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。若温度不变，提高投料比[n(H2)/n(CO2)]，则提高了二氧化碳的转化率。
关注点4 考虑副反应的干扰或影响试题往往会有一定的信息提示，尤其温度的改变影响较大。
(二)熟练运用两步解题流程第一步：通过读图识图获取有用信息
在依据化学反应原理中反应速率和平衡移动知识解读图像的基础上，还需要进行如下思考：
第二步：对获取的图像信息进行加工处理(对图像信息加工处理的角度如图所示)
(2)对于反应Ⅰ，总压恒定为100 kPa，在密闭容器中通入C3H8和N2的混合气体(N2不参与反应)，从平衡移动的角度判断，达到平衡后“通入N2”的作用是________________________________。在温度为T1时，C3H8的平衡转化率与通入气体中C3H8的物质的量分数的关系如图a所示，计算T1时反应Ⅰ的平衡常数Kp＝________kPa(以分压表示，分压＝总压×物质的量分数，保留一位小数)。
(3)在温度为T2时，通入气体分压比为p(C3H8)∶p(O2)∶p(N2)＝10∶5∶85的混合气体，各组分气体的分压随时间的变化关系如图b所示。0～1.2 s生成C3H6的平均速率为______kPa·s－1；在反应一段时间后，C3H8和O2的消耗速率比小于2∶1的原因为_______________________。
[解题流程] 第一步：通过读图识图获取有用信息(1)图a中横坐标为通入气体中C3H8的物质的量分数的变化(外界条件变化)，纵坐标为C3H8的平衡转化率(反应体系变化)，其C3H8的平衡转化率随通入气体中C3H8的物质的量分数增大而降低，图中所给的关键点为(0.4,50)。(2)图b中，由横纵坐标可知此图像为时间分压图像，由图可知C3H6时间与分压关系的关键点为(1.2,2.4)。
[答案] (1)271 (2)减小气体浓度，使平衡右移，提高C3H8(g)转化率 16.7 (3)2 H2和C3H6都消耗O2
(1)将n(CO2)∶n(H2)＝1∶4的混合气体充入密闭容器中发生上述反应Ⅰ、Ⅱ，在不同温度和压强时，CO2的平衡转化率如图。0.1 MPa时，CO2的转化率在600 ℃之后，随温度升高而增大的主要原因是_______________________________________________。
①起始时容器内气体的总压强为1.2p kPa，若5 min时反应到达c点，v(H2)＝___________ml·L－1·min－1。②b点时反应的平衡常数Kp＝__________(kPa)－1(以分压表示)。③c点时，再加入CO2(g)和H2O(g)，使二者分压均增大0.05p kPa，则H2的转化率__________(填“增大”“不变”或“减小”)。
解析：(1)反应Ⅰ的ΔH1 <0，反应Ⅱ的ΔH2>0，600 ℃之后，温度升高，反应Ⅱ向右移动，二氧化碳减少的量比反应Ⅰ向左移动二氧化碳增加的量多，所以二氧化碳的转化率增大。
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