2021版高考化学鲁科版一轮教师用书：第7章高考专题讲座（四）　化学平衡图像的分类突破

(四)　化学平衡图像的分类突破

[核心整合归纳]

化学平衡的图像是全国卷命题的热点，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，难度不大，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。

[解题思路]

化学平衡图像的一般思路

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[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CoO(s)，氧化钴部分被还原为金属钴Co(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CoO(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CoO(s)为Co(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)Shoichi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p和p相等、p和p相等。

计算曲线a的反应在30～90 min内的平均速率(a)＝________ kPa·min－1。467 ℃时p和p随时间变化关系的曲线分别是________、________。489 ℃时p和p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

由K<K知还原CoO的倾向是CO大于H2。

(2)CO(g)＋H2O(g)===CO2(g)＋H2(g)　K＝＝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)(a)＝ 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

[试题分类探究]

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系数的关系。

[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。如图甲中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。如图乙中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．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

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＋b<c。由(T1，p2)和(T2，p2)两条曲线可以看出：①压强相同(p2)，但温度为T1时先出现“拐点”，达到平衡所需的时间短，即反应速率大，所以T1>T2；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系数的大小关系。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．(2019·武汉模拟)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：T1<T2

B．平衡常数：K(a)＝K(b)<K(c)

C．反应速率：vb>va

D．当＝30 g·mol－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，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 mol，(HF)2为y mol，当＝30 g·mol－1时，有＝30，解得x＝y，即n(HF)∶n[(HF)2]＝1∶1，D项错误。]

4．(2019·福州模拟)以CO2与NH3为原料可以合成尿素[CO(NH2)2]。合成尿素的反应为2NH3(g)＋CO2(g)CO(NH2)2(s)＋H2O(g)。

在不同温度及不同y值下合成尿素，达到平衡时，氨气转化率的变化情况如图所示。该反应的ΔH_____________________________0

(填“>”“<”或“＝”，下同)，若y表示压强，则y1________y2，若y表示反应开始时的水碳比[]，则y1________y2。

[解析]　根据题图知，y一定时，降低温度，NH3的转化率增大，平衡正向移动，根据平衡移动原理，降温时平衡向放热反应方向移动，故正反应为放热反应，ΔH<0。若y表示压强，y2→y1，NH3的转化率增大，平衡正向移动，根据平衡移动原理，加压时平衡正向移动，故y1>y2。根据平衡移动原理，减小水碳比[]，平衡正向移动，NH3的转化率增大，若y表示水碳比，则y1<y2。

[答案]　<　>　<

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．工业上，利用CO和H2合成二甲醚：3CO(g)＋3H2(g) CH3OCH3(g)＋CO2(g)，为了寻找合适的温度，研究者进行了多次实验，每次实验保持原料气组成(3 mol CO、3 mol H2)、体积(10 L)、反应时间等因素不变，实验结果如图所示。下列说法正确的是(　　)

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>0

C．反应温度应控制在240～260 ℃之间

D．选择合适催化剂，可以提高CO的转化率

C　[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 ℃之间可达到最高点，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。]

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<v逆。

[对点训练]

6．(2019·陕西模拟)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[]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)　(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]

7．一定条件下，用Fe2O3、NiO或Cr2O3作催化剂对燃煤烟气回收。反应为2CO(g)＋SO2(g)2CO2(g)＋S(l)　ΔH＝－270 kJ·mol－1

(1)其他条件相同、催化剂不同，SO2的转化率随反应温度的变化如图1，Fe2O3和NiO作催化剂均能使SO2的转化率达到最高，不考虑催化剂价格因素，选择Fe2O3的主要优点是_______________。

图1　　　　　　　　　　图2

(2)某科研小组用Fe2O3作催化剂。在380 ℃时，分别研究了[n(CO)∶n(SO2)]为1∶1、3∶1时SO2转化率的变化情况(图2)。则图2中表示n(CO)∶n(SO2)＝3∶1的变化曲线为________。

[解析]　(1)从图1中可以看出，相比NiO和Cr2O3，用Fe2O3作催化剂时，在较低温度下，SO2的转化率已很高，这样既能去除SO2，又能节省能源。(2)CO与SO2反应方程式为2CO＋SO22CO2＋S，＝与相比是增大了CO的“量”，上述平衡正移，SO2的转化率升高，与曲线a相符。

[答案]　(1)Fe2O3作催化剂时，在相对较低温度下可获得较高的SO2转化率，从而节约能源　(2)a

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

9．(2019·黄冈模拟) (1)向甲、乙、丙三个容积均为2 L的密闭装置中均充入4 mol N2和H2的混合气体，但N2、H2的投料比不同，在400 ℃时反应，测定N2的体积百分含量，得到图1。

图1

①乙装置中N2、H2的投料比为________。

②反应达到平衡后，测得乙装置中H2的体积百分含量为25%，则400 ℃时，合成氨反应的平衡常数为________(不需注明单位)。   

(2)向M、N两个装置中分别充入相同投料比的N2、H2，进行合成氨反应，各反应1小时，测定不同温度下N2的转化率，得到图2。

图2

①N2、H2在M、N两装置中反应时，不同的条件可能是

____________________________________________________________

____________________________________________________________。

②在300 ℃时，a、b两点转化率存在差异的原因是

____________________________________________________________。

[解析]　(1)①设起始时乙装置中N2为x mol，则H2为(4－x)mol，设平衡建立过程中N2转化a mol，根据N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)，可知平衡时N2为(x－a)mol，H2为(4－x－3a)mol，NH3为2a mol，又知反应过程中氮气的体积百分含量不变，则＝，解得x＝2，故乙装置中充入的N2和H2均为2 mol，N2、H2的投料比为1∶1。②起始时乙装置中的N2、H2均为2 mol，设平衡建立过程中N2转化b mol，则达平衡时N2为(2－b)mol，H2为(2－3b)mol，NH3为2b mol，H2的体积百分含量为25%，则×100%＝25%，解得b＝0.4，故平衡时N2为1.6 mol，H2为0.8 mol，NH3为0.8 mol，[N2]＝0.8  mol·L－1，[H2]＝0.4  mol·L－1，[NH3]＝0.4 mol·L－1，平衡常数K＝ L2·mol－2＝3.125 L2·mol－2。(2)①M、N两装置中N2的转化率点线在c点相交，即在此温度下N2的转化率相同，两装置所达平衡相同，又两装置中N2、H2的投料比相同，且达平衡前M中N2的转化率始终比N中大，即M中反应速率快，因此M中使用了催化剂。②M装置中使用了催化剂，a点反应速率快，且合成氨的反应是放热反应，升高温度，平衡逆向移动，N2的转化率减小，故a点时反应已达到平衡，b点反应速率慢，且反应没达到平衡，故虽然a、b两点温度相同，但转化率不同。

[答案]　(1)①1∶1　②3.125　

(2)①M装置中使用了催化剂　②M装置中使用了催化剂，a点反应速率快，达到了平衡，b点反应速率慢，没达到平衡

10．将CO和H2加入密闭容器中，在一定条件下发生反应：CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)　ΔH<0。平衡时CO的体积分数(%)与温度和压强的关系如图所示(虚线框表示没有测定该条件下的数据)。

T1、T2、T3由大到小的关系是________，判断理由是

____________________________________________________________。

[解析]　该反应是气体体积减小的反应，压强增大，平衡正向移动，平衡时CO的体积分数减小，但据图可知T1、T2、T3对应的CO的平衡体积分数随压强增大逐渐增大，即平衡向左移动，该反应为放热反应，温度升高，平衡向左移动，故T3>T2>T1。

[答案]　T3>T2>T1　压强越大，CO的平衡体积分数应越小，但T1、T2、T3对应的CO的平衡体积分数逐渐增大，该反应为放热反应，温度升高，平衡向左移动，则T3>T2>T1