2020版高考一轮复习化学新课改省份专用学案：第六章第4课时　难点专攻——图像中的反应速率与化学平衡

第4课时　难点专攻——图像中的反应速率与化学平衡

考点一　速率－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)pC(g)＋qD(g)　ΔH＝Q kJ·mol－1。

1．“断点”类v­t图像

2．“平台”类v­t图像

3．“渐变”类v­t图像

[典例]　对于反应2SO2(g)＋O2(g)2SO3(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～t1：v正＝v逆；t1时改变条件，t2时重新建立平衡)(　　)

[解析]　分析时要注意改变条件瞬间v正、v逆的变化。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逆都瞬间增大，C错误；加入催化剂，v正、v逆同时同倍数增大，D正确。

[答案]　C

[综合训练]

1．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，在不同的时间段内反应物的浓度随时间的变化如图甲所示，正逆反应速率随时间的变化如图乙所示，下列说法中正确的是(　　)

A．30～40 min间该反应使用了催化剂

B．化学方程式中的x＝1，正反应为吸热反应

C．30 min时降低温度，40 min时升高温度

D．8 min前A的平均反应速率为0.08 mol·L－1·min－1

解析：选D　A项，若使用催化剂，则化学反应速率加快，故错误；由甲图像可知，A、B的浓度变化相同，故A、B的化学计量数相同，都为1；由乙图像可知，30 min时改变的条件为减小压强，40 min时改变的条件为升高温度，且升高温度平衡向逆反应方向移动，则正反应为放热反应。8 min前A的平均反应速率为＝0.08 mol·L－1·min－1。

2．密闭容器中发生反应：A(g)＋3B(g)2C(g)　ΔH<0，根据v­t图像，回答下列问题：

(1)下列时刻所改变的外界条件是t1____________________________________________；

t3______________________；t4___________________________________________。

(2)反应速率最快的时间段是________。

(3)下列措施能增大正反应速率的是________。

A．通入A(g)　　　　　 B．分离出C(g)

C．降温  D．增大容器容积

解析：(1)t1时刻，改变条件，v′正、v′逆均增大，且v′逆>v′正，平衡逆向移动，说明改变的条件是升高温度。t3时刻，改变条件，v″正、v″逆同等程度增大，且该反应是反应前后气体物质的量不相等的反应，故改变的条件是加入催化剂。t4时刻，改变条件，v正、v逆均减小，且v逆>v正，平衡逆向移动，说明改变的条件是减小压强。

(2)t3～t4时间段内，反应使用催化剂，由图像可知该时间段内反应速率最快。

(3)降温、增大容器容积均会使正、逆反应速率减小；分离出C(g)时，v正不变，v逆减小，随着反应的进行v正会减小，通入A(g)，反应物的浓度增大，v正增大。

答案：(1)升高温度　加入催化剂　减小压强　(2)t3～t4　(3)A

考点二　突破常规图像

1．含量—时间—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。

①

②

③

④

⑤

[析图关键]

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，以此判断温度或压强的高低。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。

2．转化率(或质量分数)与压强—温度图像

(1)恒压线图像

　[析图关键]

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

[析图关键]

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。

3．化学平衡中的特殊图像

(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。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)。

[典例]　(2018·天津和平区期末)对于反应aA(g)＋bB(g)cC(g)＋dD(g)　ΔH，反应特点与对应的图像的说法中不正确的是(　　)

A．图甲中，若p1＞p2，则在较低温度下有利于该反应自发进行

B．图乙中，若T2＞T1，则ΔH＜0且a＋b＝c＋d

C．图丙中，t1时刻改变的条件一定是使用了催化剂

D．图丁中，若ΔH＜0，则纵坐标不可能表示的是反应物的转化率

[解析]　图甲中压强一定时，温度越高，平衡体系中A%越大，说明升高温度，平衡逆向移动，则有ΔH＜0；若p1＞p2，温度一定时，压强越大，平衡体系中A%越小，则有a＋b＞c＋d，ΔS＜0；若使ΔH－TΔS＜0，则在较低温度下有利于该反应自发进行，A正确。图乙中温度一定时，增大压强，A的平衡转化率不变，则有a＋b＝c＋d；压强一定时，若T2＞T1，温度越高，A的平衡转化率越小，说明升高温度，平衡逆向移动，则有ΔH＜0，B正确。图丙中t1时刻，改变条件后v′正、v′逆同等程度地改变，平衡不移动，则改变的条件可能是使用了催化剂，若a＋b＝c＋d改变的条件也可能是增大了压强，C错误。图丁中温度为T1时先达到平衡状态，则温度：T1＞T2；若ΔH＜0，升高温度，平衡逆向移动，反应物的转化率降低，故纵坐标不可能表示的是反应物的转化率，D正确。

[答案]　C

[备考方略]　解答化学平衡图像题四步骤

[综合训练]

1.密闭容器中进行的可逆反应：aA(g)＋bB(g)cC(g)在不同温度(T1和T2)及压强(p1和p2)下，混合气体中B的质量分数w(B)与反应时间(t)的关系如图所示。下列判断正确的是(　　)

A．T1<T2，p1<p2，a＋b>c，正反应为吸热反应

B．T1>T2，p1<p2，a＋b<c，正反应为吸热反应

C．T1<T2，p1>p2，a＋b<c，正反应为吸热反应

D．T1>T2，p1>p2，a＋b>c，正反应为放热反应

解析：选B　由(T1，p1)和(T1，p2)两条曲线可以看出：温度相同(T1)，但压强为p2时达到平衡所需的时间短，即反应速率大，所以p2>p1；压强较大(即压强为p2)时对应的w(B)较大，说明增大压强平衡逆向移动，则a＋b<c。由(T1，p2)和(T2，p2)两条曲线可以看出：压强相同(p2)，但温度为T1时达到平衡所需的时间短，即反应速率大，所以T1>T2；温度较高(即温度为T1)时对应的w(B)较小，说明升高温度平衡正向移动，故正反应为吸热反应。

2．在一恒容的密闭容器中充入0.1 mol·L－1 CO2、0.1 mol·  L－1 CH4，在一定条件下发生反应：CH4(g)＋CO2(g)2CO(g)＋2H2(g)，测得CH4平衡转化率与温度、压强关系如图，下列有关说法不正确的是(　　)

A．上述反应的ΔH<0

B．压强：p4>p3>p2>p1

C．1 100 ℃时该反应的平衡常数约为1.64

D．压强为p4时，在y点：v正>v逆

解析：选A　p1、p2、p3、p4是四条等压线，由图像可知，压强一定时，温度越高，CH4的平衡转化率越高，故正反应为吸热反应，ΔH>0，A项错误；该反应为气体分子数增加的反应，压强越高，甲烷的平衡转化率越小，故压强p4>p3>p2>p1，B项正确；压强为p4、温度为1 100 ℃时，甲烷的平衡转化率为80.00%，故平衡时各物质的浓度分别为c(CH4)＝0.02 mol·L－1，c(CO2)＝0.02 mol·L－1，c(CO)＝0.16 mol·L－1，c(H2)＝0.16 mol·L－1，即平衡常数K＝≈1.64，C项正确；压强为p4时，y点未达到平衡，此时v正>v逆，D项正确。

3.(2018·滨州期末)在一定温度下，发生反应2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)　ΔH＜0。改变起始时n(SO2)对反应的影响如图所示。下列说法正确的是(　　)

A．SO2的起始量越大，混合气体中SO3的体积分数越大

B．a、b、c三点中，a点时SO2的转化率最高

C．a、b、c三点的平衡常数：Kb＞Kc＞Ka

D．b、c点均为化学平衡点，a点未达到平衡且反应正向进行

解析：选B　由题图可知，O2的量一定，SO2的量越少，其转化率越高，故a点时SO2的转化率最高，B正确。

考点三　突破陌生图像

研究化学的目的是有利于提高人类生活、生产的水平，在工业生产过程中，如何提升原料利用率、降低化学反应条件、提高产物的产率等是化学工作者研究的重要课题。命题者往往根据实际工业生产，结合图像，从分析投料比、转化率、产率等角度来命题。此类题目的信息量大，能充分考查学生读图、提取信息、解决实际问题的能力，因此是现代高考及平时模拟考试的“新宠”。

[典例1]　(2018·江苏高考)NOx(主要指NO和NO2)是大气主要污染物之一。有效去除大气中的NOx是环境保护的重要课题。在有氧条件下，新型催化剂M能催化NH3与NOx反应生成N2。

将一定比例的O2、NH3和NOx的混合气体，匀速通入装有催化剂M的反应器中反应(装置见图1)。

反应相同时间NOx的去除率随反应温度的变化曲线如图2所示，在50～250 ℃范围内随着温度的升高，NOx的去除率先迅速上升后上升缓慢的主要原因是_____________________；当反应温度高于380 ℃时，NOx的去除率迅速下降的原因可能是________________________。

温度升高，反应速率增大，同时催化剂的活性增大也会提高反应速率。一段时间后催化剂活性增大幅度变小，主要是温度升高使反应速率增大。当温度超过一定值时，催化剂的活性下降，同时氨气与氧气能够反应生成NO而使反应速率减小。

 [解题指导]

[典例2]　研究发现利用NH3可消除硝酸工业尾气中的NO污染。NH3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。

(1)曲线a中，NO的起始浓度为6×10－4 mg·m－3，从A点到B点经过0.8 s，该时间段内NO的脱除速率为________mg·m－3·s－1。

(2)曲线b对应的NH3与NO的物质的量之比是________，其理由是______________。

[解题指导]

从A点到B点的浓度变化为(0.75－0.55)×6×10－4 mg·m－3＝1.2×10－4 mg·m－3，脱除速率为＝1.5×10－4 mg·m－3·s－1；根据勒夏特列原理，NH3与NO的物质的量之比越大，NH3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NH3与NO的物质的量之比为3∶1。

[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H2制备二甲醚(CH3OCH3)。

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n(Mn)/n(Cu)约为________时最有利于二甲醚的合成。

[解题指导]

由题图可知当催化剂中n(Mn)/n(Cu)约为2.0时，CO的转化率最大，生成的二甲醚最多。

 [典例4]　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。250～300 ℃时，温度升高而乙酸的生成速率降低的原因是__________________________________________________。

[解题指导]

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：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降低的原因是温度超过250 ℃时，催化剂的催化效率降低。

[典例5]　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a MPa下，该反应在不同温度、不同投料比时，CO2的转化率如图：

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”)。

[解题指导]

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，故K不变。

 [典例6]　(2016·全国卷Ⅱ节选)以丙烯、氨、氧气为原料，在催化剂存在下生成丙烯腈(C3H3N)和副产物丙烯醛(C3H4O)的热化学方程式如下：

①C3H6(g)＋NH3(g)＋O2(g)===C3H3N(g)＋3H2O(g)ΔH＝－515 kJ·mol－1

②C3H6(g)＋O2(g)===C3H4O(g)＋H2O(g)ΔH＝－353 kJ·mol－1

丙烯腈和丙烯醛的产率与的关系如图所示。由图可知，最佳约为______。

[解题指导]

由图可知，当＝1时，丙烯腈的产率最高，而丙烯醛的产率已趋近于0，如果再增大，丙烯腈的产率反而降低，故最佳约为1。