高考化学三轮冲刺最后30天之考前争分系列热点突破四化学反应速率与化学平衡图像解题方法学案
化学反应速率与化学平衡图像解题方法[突破方法]
1．化学平衡图像题的思维流程
2．解题步骤
3．解题技巧
(1)“定一议二”原则
在化学平衡图像中，了解纵轴、横轴和曲线所表示的三个物理量的意义。在确定横轴所表示的物理量后，讨论纵轴与曲线的关系，或在确定纵轴所表示的物理量后，讨论横轴与曲线的关系。
如反应2A(g)＋B(g)2C(g)达到化学平衡时，A的平衡转化率与压强和温度的关系如图1所示[纵轴为A的平衡转化率(α)，横轴为反应温度(T)]。
定压看温度变化，升高温度曲线走势降低，说明A的转化率降低，平衡向逆反应方向移动，正反应是放热反应。
定温看压强变化，因为此反应是反应后气体体积减小的反应，压强增大，平衡向正反应方向移动，A的转化率增大，故p2>p1。
(2)“先拐先平数值大”原则
对于同一化学反应在化学平衡图像中，先出现拐点的反应先达到平衡状态，先出现拐点的曲线表示的温度较高(如图2所示，α表示反应物的转化率)或压强较大[如图3所示，φ(A)表示反应物A的体积分数]。
图2：T2>T1，正反应放热。
图3：p1 (3)三看分析法 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。 例 1 [2017·河南郑州质检]一定条件下向某密闭容器中加入0.3 mol A、0.1 mol C 和一定量的B三种气体，图甲表示各物质浓度随时间的变化，图乙表示反应速率随时间的变化，t2、t3、t4、t5时刻后各改变一种条件，且改变条件均不同。若t4时刻改变条件是压强，则下列说法错误的是( ) A．若t1＝15 s，则前15 s的平均反应速率v(C)＝0.004 mol·L－1·s－1 B．该反应的化学方程式为3A(g)B(g)＋2C(g) C．t2、t3、t5时刻改变的条件分别是升高温度、加入催化剂、增大反应物浓度 D．B的起始物质的量为0.04 mol 答案 C 解析由题图甲可知，15 s内c(C)由0.05 mol·L－1升高到0.11 mol·L－1，则有v(C) ＝(0.11－0.05) mol·L －115 s ＝0.004 mol·L －1·s －1，A 正确。由题图甲可知，t 1时刻达到平衡状态时，Δc (A)、Δc (C)分别为0.09 mol·L －1、0.06 mol·L －1，则A 、C 的化学计量数之比为3∶2；由题图乙可知，t 4时刻改变压强，正、逆反应速率同等程度变化，说明反应前后气体总分子数相等，从而推知该反应为3A(g)B(g)＋2C(g)，B 正确。t 2时刻正、逆反应速率均增大，可能是升高温度；t 3时刻正、逆反应速率均同等程度增大，可能是加入了催化剂；t 5时刻正、逆反应速率均增大，不可能是仅增大反应物浓度引起的，C 错误。起始时 加入0.1 mol C ，此时c (C)＝0.05 mol·L －1，则容器容积为0.1 mol 0.05 m ol·L －1＝2 L ；由题图甲可知，反应中消耗0.09 mol·L －1 A ，则生成0.03 mol·L －1 B ，故B 的起始物质的量为0.05 mol·L －1×2 L－0.03 mol·L －1×2 L＝0.04 mol ，D 正确。 例2 [2017·山东济宁期末]氮和碳的化合物与人类生产、生活密切相关。 (1)在压强为0.1 MPa 条件下，将CO 和H 2的混合气体在催化剂作用下转化为甲醇的反应为CO(g)＋2H 2(g)CH 3OH(g) ΔH <0。 ①下列有关叙述能说明该反应达到平衡状态的是________(填序号)。 a ．混合气体的密度不再变化 b ．CO 和H 2的物质的量之比不再变化 c ．v 正(H 2)＝v 逆(CH 3OH) d ．CO 在混合气体中的质量分数保持不变 ②T 1 ℃时，在一个容积为5 L 的恒压容器中充入1 mol CO 、2 mol H 2，经过5 min 达到平衡，CO 的转化率为0.75，则T 1 ℃时，CO(g)＋2H 2(g) CH 3OH(g)的平衡常数K ＝________。 ③T 1 ℃时，在容积为5 L 的恒容容器中充入一定量的H 2和CO ，反应达到平衡时CH 3OH 的体积分数与n (H 2)n (CO )的关系如图甲所示。温度不变，当n (H 2)n (CO ) ＝2.5时，达到平衡状态，CH 3OH 的体积分数可能是图像中的________点。 (2)用催化转化装置净化汽车尾气，装置中涉及的反应之一为2NO(g)＋2CO(g) N 2(g) ＋2CO 2(g)。 ①探究上述反应中NO 的平衡转化率与压强、温度的关系，得到如图乙所示的曲线。催化装置比较适合的温度和压强是________。 ②测试某型号汽车在冷启动(冷启动指发动机水温低的情况下启动)时催化装置内CO 和NO 百分含量随时间变化曲线如图丙所示。则前10 s 内，CO 和NO 百分含量无明显变化的原因是__________________________________。 答案 (1)①ad ②75 ③F (2)①400 K、1 MPa ②尚未达到催化剂工作温度(或尚未达到反应所需的温度) 解析 (1)①恒压条件下进行反应CO(g)＋2H 2(g)CH 3OH(g)，容器的容积不断变化，混合气体的总质量不变，则气体的密度不断变化，若混合气体的密度不再变化，则达到平衡状态，a 正确；若按物质的量之比为1∶2 投入CO 和H 2的话，二者的物质的量之比一直不变，b 错误；达到平衡时，v 正(H 2)＝2v 逆(CH 3OH)，c 错误；CO 在混合气体中的质量分数保持不变，则n (CO)保持不变，该反应达到平衡状态，d 正确。 ②T 1 ℃时，恒压容器中进行反应，经过5 min 达到平衡，CO 的转化率为0.75，则平衡时混合气体的总物质的量为1.5 mol ；根据恒温恒压时，气体的体积之比等于其物质的量之 比，此时容器的容积为5 L×1.5 mol 3 mol ＝2.5 L ，则平衡时CO(g)、H 2(g)、CH 3OH(g)的浓度分别为0.1 mol·L －1、0.2 mol·L －1、0.3 mol·L －1 ，故T 1 ℃时，该反应的平衡常数K ＝c (CH 3OH )c (CO )·c 2(H 2)＝0.30.1×0.22 ＝75。 ③T 1 ℃时，图甲中C 点n (H 2)n (CO )＝2，n (H 2)n (CO ) 由2变为2.5，相当于增加H 2的量，平衡正向移动，根据勒夏特列原理分析可知，n (CH 3OH)增加量小于n 总(气体)的增加量，则CH 3OH 的体积分数减小，故图中F 点符合要求。 (2)①由图乙可知，在压强一定时，温度越低，NO的平衡转化率越高，故应选用400 K 下进行反应；在400 K时，增大压强，NO的平衡转化率变化不大，故可选用较低压强下进行反应，降低对设备的要求，可选用压强为1 MPa的条件。 ②汽车在冷启动时，发动机水温低，催化装置中催化剂未达到其理想的工作温度，反应2NO(g)＋2CO(g)N2(g)＋2CO2(g)进行的程度较小，故CO和NO百分含量无明显变化。 1．对于可逆反应A(g)＋2B(g)2C(g) ΔH>0，下列图像中，正确的是( ) 答案 A 解析该反应的正反应为吸热反应，升高温度，平衡正向移动，A%减小，A正确；该反应的正反应为吸热反应，升高温度，v(正)、v(逆)均增大，平衡正向移动，则v(正)>v(逆)，B错误；升高温度，反应速率加快，达到平衡的时间缩短，C错误；平衡后，增大压强，v(正)、v(逆)均增大，平衡正向移动，则v(正)>v(逆)，D错误。 2．下列叙述与图像相对应的是( ) A．图(1)是N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)的化学平衡图像，在t0时刻充入一定量的NH3， 平衡逆向移动 B．图(2)中p2>p1，T1>T2 C．图(3)表示的化学方程式为2A===B＋3C D．图(4)对应反应2X(g)＋3Y(g)2Z(g) ΔH<0，y可以表示Y的百分含量 答案 B 解析在t0时刻充入一定量的NH3，v′(正)应与平衡点相连，A项错误；由先拐先平知p2>p1，T1>T2，B项正确；图(3)表示的是可逆反应，C项错误；温度升高，平衡逆向移动，Y 的百分含量将增大，D项错误。 化学反应速率与化学平衡图像解题方法 专题训练 1.对于可逆反应2A(g)＋B(g)2C(g) ΔH<0，下列图像表示正确的是( ) 答案 C 解析使用催化剂不会影响平衡，只能缩短达到平衡的时间，A项错误；温度升高，平衡逆向移动，A的转化率会降低，B项错误；温度越高，化学反应速率越快，达到平衡所用时间最短升高温度，平衡逆向移动，C的体积分数降低，C项正确；平衡常数只与温度有关，D项错误。 2.在恒容密闭容器中通入X并发生反应：2X(g)Y(g)，温度T1、T2下X的物质的量浓度c(X)随时间t变化的曲线如图所示，下列叙述正确的是( ) A．该反应进行到M点放出的热量大于进行到W点放出的热量 B ．T 2下，在0～t 1时间内，v (Y)＝a －b t 1 mol·L －1·min －1 C ．M 点的正反应速率v 正大于N 点的逆反应速率v 逆 D ．M 点时再加入一定量X ，平衡后X 的转化率减小 答案 C 解析 依据题中图示，可看出T 1>T 2，由于T 1时X 的平衡浓度大，可推出该反应为放热反应。A 项，M 点与W 点比较，X 的转化量前者小于后者，故进行到M 点放出的热量应小于进行到W 点放出的热量，A 项错误；B 项，2v (Y)＝v (X)＝a －b t 1 mol·L －1·min －1，B 项错误；C 项，T 1>T 2且M 点的Y 的浓度大于N 点的，故M 点v 逆大于N 点v 逆，而M 点v 正＝v 逆，所以M 点v 正大于N 点v 逆，C 项正确；D 项，恒容时充入X ，压强增大，平衡正向移动，X 的转化率增大，D 项错误。 3．[2017·安徽合肥教学质量检测]在密闭容器中进行反应：X(g)＋2Y(g) 2Z(g) ΔH >0。下图能正确表示该反应有关物理量变化规律的是( ) 答案 C 解析 正反应吸热，升高温度平衡向正反应方向移动，正反应速率大于逆反应速率，A 错误；正反应吸热，升高温度平衡向正反应方向移动，Z 的含量升高，B 错误；升高温度或增大压强，平衡均向正反应方向进行，X 的转化率升高，C 正确；平衡常数只与温度有关，温度不变，平衡常数为定值，D 错误。 4．[2017·惠州调研]在 2 L 密闭容器中进行反应C(s)＋H 2O(g)CO(g)＋H 2(g) ΔH >0，测得c (H 2O)随反应时间(t )的变化如图所示。下列判断正确的是( ) A ．0～5 min 内，v (H 2)＝0.05 mol·L －1·min －1 B ．5 min 时该反应的K 值一定小于12 min 时的K 值 C ．10 min 时，改变的外界条件可能是减小压强 D ．5 min 时该反应的v (正)大于11 min 时的v (逆) 答案 B 解析 由题图可知，0～5 min 内Δc (H 2O)＝0.50 mol·L －1 ，则有v (H 2O)＝0.50 mol·L －15 min ＝0.10 mol·L －1·min －1，v (H 2)＝v (H 2O)＝0.10 mol·L －1·min －1 ，A 错误；10 min 时改变反应条件，c (H 2O)逐渐减小至0.25 mol·L －1，说明反应正向移动，且反应速率加快，应由 升高温度引起，则有K (5 min) 5．温度为T 0时，在容积固定的密闭容器中发生反应：X(g)＋Y(g)Z(g)(未配平)，4 min 时达到平衡，各物质浓度随时间变化的关系如图甲所示。其他条件相同，温度分别为T 1、T 2时发生反应，Z 的浓度随时间变化的关系如图乙所示。下列叙述正确的是( ) A ．发生反应时，各物质的反应速率大小关系为v (X)＝v (Y)＝2v (Z) B ．图甲中反应达到平衡时，Y 的转化率为37.5% C ．T 0时，该反应的平衡常数为33.3 D ．该反应正反应的反应热ΔH <0 答案 C 解析 由图甲可知，平衡时，X 、Y 、Z 的物质的量浓度变化量分别为0.25 mol/L 、0.25 mol/L 、0.5 mol/L ，化学计量数之比等于反应物、生成物的物质的量变化量之比，故反应为X(g)＋Y(g)2Z(g)；由图乙可知，温度为T 1时先达到平衡，所以T 1>T 2，温度越高，平衡 时Z 的物质的量浓度越大，说明升高温度平衡向正反应方向移动，升高温度平衡向吸热方向移动，故正反应为吸热反应。A 项，由上述分析可知，反应为X(g)＋Y(g) 2Z(g)，速率之比等于各物质的化学计量数之比，所以反应时各物质的反应速率大小关系为2v (X)＝2v (Y)＝v (Z)，错误；B 项，由图甲可知，Y 的起始浓度为0.4 mol/L ，平衡时Y 的物质的量浓度 为0.15 mol/L ，Y 的浓度变化了0.25 mol/L ，故平衡时Y 的转化率为0.25 mol/L 0.4 mol/L ×100%＝62.5%，错误；C 项，由图甲可知，平衡时，X 、Y 、Z 的物质的量浓度分别为0.05 mol/L 、 0.15 mol/L 、0.5 mol/L ，K ＝c 2(Z )c (X )·c (Y )＝0.520.05×0.15 ＝33.3，正确；D 项，由上述分析可知，该反应正反应为吸热反应，故ΔH >0，错误。 6．[2017·天津河北区质检]I 2在KI 溶液中存在下列平衡：I 2(aq)＋I －(aq) I －3(aq)，某I 2、KI 混合溶液中，c (I －3)与温度T 的关系如图所示(曲线上任何一点都表示平衡状态)， 下列说法不正确的是( ) A ．温度为T 1时，向该平衡体系中加入KI 固体，平衡正向移动 B ．反应I 2(aq)＋I －(aq)I － 3(aq)的ΔH <0 C ．若T 1时，反应进行到状态d 时，一定有v 正>v 逆 D ．状态a 与状态b 相比，状态b 时I 2的转化率更高 答案 D 解析 温度为T 1时，加入KI 固体，碘离子浓度增大，平衡向正反应方向移动，故A 正确；由图像中曲线的变化趋势可知，当温度升高时，I －3的物质的量浓度减小，说明升温平衡向逆反应方向移动，该反应的正反应为放热反应，反应I 2(aq)＋I －(aq) I －3(aq)的ΔH <0，故B 正确；反应进行到状态d 时，反应未达到平衡状态，反应趋向于平衡，则反应向生成I －3的方向移动，则v 正>v 逆，故C 正确；状态b 相当于在状态a 的基础上升高温度，该反应的正反应为放热反应，升高温度，平衡向逆反应方向移动，状态b 时I 2的转化率更低，故D 错误。 7．工业上用下列反应合成甲醇：CO 2(g)＋3H 2(g)CH 3OH(g)＋H 2O(g)。在固定容积为2 L 的密闭容器中，由CO 2和H 2合成甲醇，在其他条件不变的情况下，研究温度对反应的影响，实验结果如图所示(注：T 1、T 2均大于300 ℃)。下列说法正确的是( ) A ．温度为T 1时，从反应开始到平衡，生成甲醇的平均速率为v (CH 3OH)＝n 1t 1 mol·L －1·min －1 B ．该反应在温度为T 1时的平衡常数比温度为T 2时的小 C ．该反应的正反应为放热反应 D ．处于A 点的反应体系从T 1变到T 2，达到平衡时 n (H 2)n (CH 3OH )减小 答案 C 解析 由图像可知在温度为T 2时反应先达到平衡，因此温度T 2>T 1，温度高反应达平衡时甲醇的物质的量反而低，说明正反应是放热反应，升高温度平衡常数减小，故B 项错误，C 项正确；温度为T 1时，从反应开始到达到平衡，生成甲醇的物质的量为n 1 mol ，此时甲醇的浓度为n 12 mol·L －1，所以生成甲醇的平均速率为v (CH 3OH)＝n 12t 1 mol·L －1·min －1，A 项错误；因为温度T 2>T 1，所以A 点的反应体系从T 1变到T 2时，平衡会向逆反应方向移动，即生成物浓度减小而反应物浓度增大，n (H 2) n (CH 3OH )增大，所以D 项错误。 8．对于密闭容器中的可逆反应A 2(g)＋3B 2(g) 2AB 3(g)，探究单一条件改变情况下，可能引起平衡状态的改变，得到如图所示的曲线(图中T 表示温度，n 表示物质的量)。下列 判断正确的是( ) A ．加入催化剂可以使状态d 变为状态b B ．若T 1>T 2，则逆反应一定是放热反应 C ．达到平衡时，A 2的转化率大小为b >a >c D．在T2和n(A2)不变时达到平衡，AB3的物质的量的大小为c>b>a 答案 D 解析加入催化剂只改变反应速率，不能使平衡发生移动，故加入催化剂不能使状态d 变为状态b，A错误。若T1>T2，由题图可知，温度升高，n(B2)不变时，平衡时AB3的体积分数减小，说明升高温度，平衡逆向移动，则逆反应是吸热反应，B错误。图中横坐标为n起始(B2)，增大一种反应物的量会提高另一种反应物的转化率，则n起始(B2)越大，平衡时A2的转化率越大，即达到平衡时A2的转化率大小为c>b>a，C错误。其他条件相同时，n起始(B2)越大，平衡时A2的转化率越大，则平衡时AB3的物质的量越大，故平衡时AB3的物质的量的大小为c>b>a，D正确。 9．(1)CO2和H2充入一定体积的密闭容器中，在两种温度下发生反应：CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g)。测得CH3OH的物质的量随时间的变化如下图。 ①曲线Ⅰ、Ⅱ对应的平衡常数大小关系为KⅠ________KⅡ(填“>”“＝”或“<”)。 ②一定温度下，在容积相同且固定的两个密闭容器中，按如下方式加入反应物，一段时间后达到平衡。 若甲平衡后气体的压强为开始的0.8倍，要使平衡后乙与甲中相同组分的体积分数相等，且起始时维持化学反应向逆反应方向进行，则c的取值范围为________。 (2)利用光能和光催化剂，可将CO2和H2O(g)转化为CH4和O2。紫外光照射时，在不同催化剂(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)作用下，CH4产量随光照时间的变化如下图。在0～15小时内，CH4的平均生成速率Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ从大到小的顺序为________(填序号)。 答案(1)①>②0.4 (2)Ⅱ>Ⅲ>Ⅰ 解析(1)①分析图像知KⅠ>KⅡ。 ②CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g) 初始量/mol 1 3 0 0 转化量/mol x3xxx 平衡量/mol 1－x3－3xxx 4－2x＝4×0.8，得x＝0.4 根据题意可得，甲乙为等效平衡，且起始时维持反应逆向进行。所以若全部由生成物投 料时，c＝1 mol，同时c要大于平衡时的量，故有0.4 (2)由图可知，相同时间内CH4的产率越高，其平均生成速率越大，0～15小时内，CH4 的平均生成速率Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ从大到小的顺序为Ⅱ>Ⅲ>Ⅰ。