人教版高考化学一轮复习专题7化学反应速率和化学平衡高考专题讲座4化学平衡图像的分类突破学案

这是一份人教版高考化学一轮复习专题7化学反应速率和化学平衡高考专题讲座4化学平衡图像的分类突破学案，共12页。

化学平衡的图像是全国卷命题的热点载体情境，主要以Ⅱ卷非选择题为主。图像中蕴含着丰富的信息，具有简明、直观、形象的特点，命题形式灵活多变，难度较大，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。
化学平衡图像的一般思路
[典例导航]
(2019·全国卷Ⅰ，节选)水煤气变换[CO(g)＋H2O(g)===CO2(g)＋H2(g) ΔH<0]是重要的化工过程，主要用于合成氨、制氢以及合成气加工等工业领域中。回答下列问题：
(1)Shibata曾做过下列实验：①使纯H2缓慢地通过处于721 ℃下的过量氧化钴CO(s)，氧化钴部分被还原为金属钴C(s)，平衡后气体中H2的物质的量分数为0.025 0。
②在同一温度下用CO还原CO(s)，平衡后气体中CO的物质的量分数为0.019 2。
根据上述实验结果判断，还原CO(s)为C(s)的倾向是CO
H2(填“大于”或“小于”)。
(2)721 ℃时，在密闭容器中将等物质的量的CO(g)和H2O(g)混合，采用适当的催化剂进行反应，则平衡时体系中H2的物质的量分数为 (填标号)。
A．<0.25 B．0.25
C．0.25～0.50 D．0.50
E．>0.50
(3)Shichi研究了467 ℃、489 ℃时水煤气变换中CO和H2分压随时间变化关系(如图所示)，催化剂为氧化铁，实验初始时体系中的pH2O和pCO相等、pCO2和pH2相等。
计算曲线a的反应在30～90 min内的平均速率eq \x\t(v)(a)＝
kPa·min－1。467 ℃时pH2和pCO随时间变化关系的曲线分别是 、 。489 ℃时pH2和pCO随时间变化关系的曲线分别是 、 。
[思路点拨] (1)根据条件①、②可算出
eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(H2还原CO反应的KH2≈39,CO还原CO反应的KCO≈51))
由KH2(2)CO(g)＋H2O(g)===CO2(g)＋H2(g) K＝eq \f(KCO,KH2)＝1.3，根据三段式可估算平衡时H2的物质的量分数约为0.267。
(3)eq \x\t(v)(a)＝eq \f(4.08－3.80,90－30) kPa·min－1。
根据(2)中H2的物质的量分数为0.25～0.50间可知CO的为0～0.25之间。上部分a、b代表H2的分压，下部分d、c代表CO分压。再根据升温平衡向吸热(逆向)移动，CO分压增大，H2分压减小；降温相反情况。可确定pH2、pCO与曲线关系。
[答案] (1)大于 (2)C (3)0.004 7 b c a d
“平衡图像”认知模型构建
曲线的意义是外界条件(如温度、压强等)对正、逆反应速率影响的变化趋势及变化幅度。图中交点是平衡状态，压强或温度增大，正反应速率增大得快，平衡正向移动。
[对点训练]
1．下列各图是温度(或压强)对反应2A(s)＋2B(g)2C(g)＋D(g)(正反应为吸热反应)的正、逆反应速率的影响，曲线交点表示建立平衡时的温度或压强，其中正确的是 ( )

C [根据化学反应特点，升温平衡向正向移动，但v正、v逆均增大，加压平衡向逆向移动，v逆>v正。]
已知不同温度或压强下，反应物的转化率α(或百分含量)与时间的关系曲线，推断温度的高低及反应的热效应或压强的大小及气体物质间的化学计量数的关系。
[以mA(g)＋nB(g)pC(g)中反应物A的转化率αA为例说明]
[方法规律]
(1)“先拐先平，数值大”原则
分析反应由开始(起始物质相同时)达到平衡所用时间的长短可推知反应条件的变化。
①若为温度变化引起，温度较高时，反应达平衡所需时间短。如甲中T2>T1。
②若为压强变化引起，压强较大时，反应达平衡所需时间短。如乙中p1>p2。
③若为使用催化剂引起，使用适宜催化剂时，反应达平衡所需时间短。如图丙中a使用催化剂。
(2)正确掌握图像中反应规律的判断方法
①图甲中，T2>T1，升高温度，αA降低，平衡逆向移动，正反应为放热反应。
②图乙中，p1>p2，增大压强，αA升高，平衡正向移动，则正反应为气体体积缩小的反应。
③若纵坐标表示A的百分含量，则甲中正反应为吸热反应，乙中正反应为气体体积增大的反应。
[对点训练]
2.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．T1c，正反应为吸热反应
B．T1>T2，p1C．T1p2，a＋bD．T1>T2，p1>p2，a＋b>c，正反应为放热反应
B [由(T1，p1)和(T1，p2)两条曲线可以看出：①温度相同(T1)，但压强为p2时先出现“拐点”，达到平衡所需的时间短，即反应速率大，所以p2>p1；②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＋bT2；②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。]
以反应A(g)＋B(g)C(g) ΔH<0为例
[方法规律]
(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。如乙中任取两条压强曲线研究，压强增大，αA增大，平衡正向移动，正反应为气体体积减小的反应，甲中任取一曲线，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。
[对点训练]
3．已知(HF)2(g)2HF(g) ΔH>0，且平衡体系的总质量(m总)与总物质的量(n总)之比在不同温度下随压强的变化曲线如图所示。下列说法正确的是( )
A．温度：T1B．平衡常数：K(a)＝K(b)C．反应速率：vb>va
D．当eq \f(m总,n总)＝30 g·ml－1时，n(HF)∶n[(HF)2]＝2∶1
C [由题给信息知该反应为气体分子数增大的吸热反应，从图像可以看出，当压强不变时，由T1到T2，eq \f(m总,n总)增大，说明n总减小，平衡左移，即平衡向放热反应方向移动，所以由T1到T2为降低温度的过程，即T1>T2，A项错误；由于T1温度较高，升高温度平衡右移，故温度为T1时的平衡常数大于温度为T2时的平衡常数，再结合温度不变平衡常数不变知，K(b)>K(a)＝K(c)，B项错误；温度越高，压强越大，反应速率越大，故vb>va，C项正确；设HF为x ml，(HF)2为y ml，当eq \f(m总,n总)＝30 g·ml－1时，有eq \f(20x＋40y,x＋y)＝30，解得x＝y，即n(HF)∶n[(HF)2]＝1∶1，D项错误。]
4．纳米二氧化钛催化剂可用于工业上合成甲醇：CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g) ΔH＝a kJ·ml－1。
(1)按eq \f(nH2,nCO)＝2投料比将H2与CO充入V L恒容密闭容器中，在一定条件下发生反应，测定CO的平衡转化率与温度、压强的关系如图所示。则a (填“>”或“<”)0；压强p1、p2、p3由小到大的关系是 。
(2)在温度为T1 ℃，向某恒容密闭容器中充入H2和CO发生上述反应，起始时c(H2)＝c(CO)＝2.0 ml·L－1。达到平衡时，CO的转化率为图中的M点对应的转化率，则在该温度下，对应的N点的平衡常数为 (保留3位有效数字)。
K＝eq \f(0.8,1.2×0.42)＝4.17，M、N的温度相同，故N的平衡常数为4.17。
[答案] (1)< p3对于化学反应mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g)，在相同时间段内，M点前，表示化学反应从反应物开始，则v正>v逆，未达平衡；M点为刚达到的平衡点。M点后为平衡受温度的影响情况，即升温，A%增大(C%减小)，平衡逆向移动，ΔH<0。
[对点训练]
5．氢气也可以和CO2在催化剂(如Cu/ZnO)作用下直接生成CH3OH，方程式如下CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g)，现将1 ml CO2(g)和3 ml H2(g)充入2 L刚性容器中发生反应，相同时间段内测得CH3OH的体积分数φ(CH3OH)与温度(T)的关系如图所示：
(1)经过10 min达到a点，此时CH3OH的体积分数为20%。则v(H2)＝ (保留三位小数)。
(2)b点时，CH3OH的体积分数最大的原因是 。
(3)b点时，容器内平衡压强为p0，CH3OH的体积分数为30%，则反应的平衡常数Kp＝ (用平衡分压代替平衡浓度计算，分压＝总压×体积分数)
(4)a点和b点的v逆，a b(填“>” “<”或“＝”)若在900 K时，向此刚性容器中再充入等物质的量的CH3OH和H2O，达平衡后φ(CH3OH) 30%。
(5)在900 K及以后，下列措施能提高甲醇产率的是 (填字母)。
a．充入氦气 b．分离出H2O
c．升温 d．改变催化剂
由题意知：eq \f(x,4－2x)＝20%，x＝eq \f(4,7) ml，
v(H2)＝eq \f(\f(4,7)×3,2×10) ml·L－1·min－1≈0.086 ml·L－1·min－1。
(3)设消耗二氧化碳物质的量为y，
y
eq \f(y,4－2y)＝0.3，y＝0.75 ml，
故Kp＝eq \f(p0×\f(0.75,2.5)×p0×\f(0.75,2.5),p0×\f(0.25,2.5)×p0×\f(3×0.25,2.5)3)＝eq \f(100,3p\\al(2,0))。
(4)a点v正>v逆，b点v正＝v逆，温度升高反应速率增大，a点和b点的v逆，a30%。
[答案] (1)0.086 ml·L－1·min－1 (2)b点时，CH3OH的体积分数最大的原因是反应达到平衡状态
(3)eq \f(100,3p\\al(2,0)) (4)< > (5)b
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。
左上方(E点)，A%大于此压强或温度时平衡体系中的A%，E点必须向正反应方向移动才能达到平衡状态，所以，E点v正>v逆；则右下方(F点)v正[对点训练]
6．在两个容积均为1 L的密闭容器中以不同的氢碳比[n(H2)/n(CO2)]充入H2和CO2，在一定条件下发生反应：2CO2(g)＋6H2(g)C2H4(g)＋4H2O(g) ΔH。CO2的平衡转化率α(CO2)与温度的关系如图所示。
(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)由题图可知，氢碳比不变时，温度升高CO2的平衡转化率减小，说明升高温度平衡逆向移动，故逆反应是吸热反应，则正反应为放热反应，ΔH<0。(3)氢碳比[eq \f(nH2,nCO2)]越大，二氧化碳的转化率越大，故X>2.0。(4)相同温度下，Q点二氧化碳的转化率小于平衡时的转化率，说明Q点未达到平衡，反应向正反应方向进行，逆反应速率增大，到P点平衡状态时不变，故在氢碳比为2.0时，Q点v(逆)小于P点的v(逆)。
[答案] (1)eq \f(cC2H4·c4H2O,c2CO2·c6H2) (2)< 温度升高CO2的平衡转化率减小，平衡逆向移动，故逆反应是吸热反应，正反应为放热反应 (3)> (4)<
化工生产中的特定图像充分体现化学知识的“学以致用”的目标，是高考命题专家特别关注的命题点。图像中涉及的信息非常多，如温度、压强、转化率、百分含量、投料比、产率等，分析时一定注意分析图像涉及的物理量含义。
[对点训练]
7．(2021·江苏新高考适应性考试，T13)在二氧化碳加氢制甲烷的反应体系中，主要发生反应的热化学方程式为
反应Ⅰ：CO2(g)＋4H2(g)===CH4(g)＋2H2O(g)
ΔH＝－164.7 kJ·ml－1
反应Ⅱ：CO2(g)＋H2(g)===CO(g)＋H2O(g)
ΔH＝41.2 kJ·ml－1
反应Ⅲ：2CO(g)＋2H2(g)===CO2(g)＋CH4(g)
ΔH＝－247.1 kJ·ml－1
向恒压、密闭容器中通入1 ml CO2和4 ml H2，平衡时CH4、CO、CO2的物质的量随温度的变化如图所示。下列说法正确的是( )
A．反应Ⅰ的平衡常数可表示为K＝eq \f(cCH4,cCO2·c4H2)
B．图中曲线B表示CO的物质的量随温度的变化
C．提高CO2转化为CH4的转化率，需要研发在低温区高效的催化剂
D．CH4(g)＋H2O(g)===CO(g)＋3H2(g)的ΔH＝－205.9 kJ·ml－1
C [A.化学平衡常数是生成物浓度幂之积与反应物浓度幂之积的比值，反应Ⅰ的平衡常数为K＝eq \f(cCH4·c2H2O,cCO2·c4H2)，故A错误；B.反应物CO2的量逐渐减小，故图中曲线A表示CO2的物质的量变化曲线，由反应Ⅱ和Ⅲ可知，温度升高反应Ⅱ正向移动，反应Ⅲ逆向移动，CO的物质的量增大，故曲线C为CO的物质的量变化曲线，则曲线B为CH4的物质的量变化曲线，故B错误；C.反应Ⅰ为放热反应，反应Ⅱ为吸热反应，降低温度有利于反应Ⅰ正向移动，反应Ⅱ逆向移动，即可提高CO2转化为CH4的转化率，所以需要研发在低温区高效的催化剂，故C正确；D.－(反应Ⅱ＋反应Ⅲ)得到目标反应，则CH4(g)＋H2O(g)===CO(g)＋3H2(g)的ΔH＝－[41.2 kJ·ml－1 ＋(－247.1 kJ·ml－1)]＝205.9 kJ·ml－1，故D错误；故答案为C。]
8．汽车使用乙醇汽油并不能减少NOx的排放，这使NOx的有效消除成为环保领域的重要课题。某研究小组在实验室以Ag­ZSM­5为催化剂，测得NO转化为N2的转化率随温度变化情况如图所示。
若不使用CO，温度超过775 K，发现NO的分解率降低，其可能的原因是
；
在n(NO)/n(CO)＝1的条件下，应控制的最佳温度在 左右。
[答案] NO分解反应是放热反应，升高温度不利于分解反应进行 870 K
速率—压强(或温度)图像
转化率(或百分含量)—时间—温度(或压强)图像
恒温线或恒压线图像
反应过程中组分含量或浓度与温度的关系图像
化学平衡曲线外的非平衡点分析
化工生产中的特定图像分析