2021新高考化学鲁科版一轮复习突破精练：第7章 专题讲座四 真实复杂情景中化学反应速率和平衡图像识图策略

2021新高考化学鲁科版一轮复习突破精练：第7章 专题讲座四 真实复杂情景中化学反应速率和平衡图像识图策略

专题讲座四　真实复杂情景中化学反应速率和平衡图像识图策略 化学平衡图像题，除以常规图像形式(如c —t图、含量—时间—温度图、含量—时间—压强图、恒压线图、恒温线图等)考查平衡知识外，又出现了很多新型图像。这些图像常与生产生活中的实际问题相结合，从反应时间、投料比值、催化剂的选择、转化率等角度考查。图像形式看似更加难辨，所涉问题看似更加复杂，但只要仔细分析，抓住图像中的关键点(常为最高点、最低点、转折点)、看清横坐标、纵坐标代表的条件、弄清曲线的变化趋势，即可将复杂图像转化为常规图像。进而运用化学平衡知识进行解答即可。‎ ‎1．转化率—投料比—温度图像 ‎[例1]　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的转化率见下图：‎ 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”)。‎ 解析　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。‎ 答案　放热　不变 ‎2．根据图像判断投料比 ‎[例2]　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(DME)。‎ 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。‎ 解析　由图可知当催化剂中n(Mn)/n(Cu)约为2.0时，CO的转化率最大，生成的二甲醚最多。‎ 答案　2.0‎ ‎3．废物回收及污染处理图像 ‎[例3]　(1)一定条件下，用Fe2O3、NiO或Cr2O3作催化剂对燃煤烟气进行回收。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________________________________________________________________________。‎ ‎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__________。‎ ‎　‎ ‎(2)目前，科学家正在研究一种以乙烯作为还原剂的脱硝(NO)原理，其脱硝机理示意图如图3，脱硝率与温度、负载率(分子筛中催化剂的质量分数)的关系如图4所示。‎ ‎　‎ ‎①写出该脱硝原理总反应的化学方程式：________________________________________。‎ ‎②为达到最佳脱硝效果，应采取的条件是_______________________________________。‎ ‎(3)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5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　(1)①Fe2O3作催化剂时，在相对较低温度可获得较高的SO2转化率，从而节约能源　②a ‎(2)①6NO＋3O2＋2C2H43N2＋4CO2＋4H2O ‎②350 ℃、负载率3.0%‎ ‎(3)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 ‎1．在容积均为1 L的三个密闭容器中，分别放入铁粉并充入1 mol CO，控制在不同温度下发生反应Fe(s)＋5CO(g)Fe(CO)5(g)，当反应进行到5 min时，测得CO的体积分数与温度的关系如图所示。下列说法正确的是(　　)‎ A．反应进行到5 min时，b容器中v正＝v逆 B．正反应为吸热反应，平衡常数：K(T1)>K(T2)‎ C．b中v正大于a中v逆 D．反应达到平衡时，CO的转化率：b>c>a 答案　C ‎2．在恒容密闭容器中进行反应：2CO2(g)＋6H2(g)C2H5OH(g)＋3H2O(g)　ΔH。在某压强下起始时按不同氢碳比投料(如图中曲线①②③)，测得CO2的平衡转化率与温度的关系如图所示，下列有关说法正确的是(　　)‎ A．该反应的ΔH>0‎ B．氢碳比：①<②<③‎ C．其他条件不变的情况下，增大容器的体积可提高CO2的转化率 D．若起始CO2的浓度为2 mol·L－1、H2为4 mol·L－1，在图中曲线③氢碳比条件下进行，则400 K时该反应的平衡常数数值约为1.7‎ 答案　D 解析　根据图像可知，在氢碳比相等的条件下，随着温度的升高，CO2的转化率降低，说明升高温度，平衡向逆反应方向移动，因此正反应是放热反应，ΔH<0，A错误；氢碳比越大，CO2的转化率越高，根据图像可知，在温度相等的条件下，CO2的转化率：①>②>③‎ ‎，则氢碳比：①>②>③，B错误；正反应是气体体积减小的反应，因此其他条件不变的情况下，缩小容器的体积，压强增大，平衡向正反应方向移动，可提高CO2的转化率，C错误；根据图像可知，400 K时曲线③中CO2的转化率是50%，这说明消耗CO2 1 mol·L－1，则消耗氢气3 mol ‎·L－1，生成乙醇和水蒸气分别是0.5 mol·L－1、1.5 mol·L－1，剩余CO2和氢气分别是1 mol·L－1、1 mol·L－1，该温度下平衡常数K＝ mol－4·L4≈1.7 mol－4·L4，D正确。‎ ‎3．(2020·山东等级模拟考，15)热催化合成氨面临的两难问题是：采用高温增大反应速率的同时会因平衡限制导致NH3产率降低。我国科研人员研制了TiHFe双温区催化剂(TiH区域和Fe区域有温度差可超过100 ℃)。TiHFe双温区催化合成氨的反应历程如图所示，其中吸附在催化剂表面上的物种用*标注。下列说法正确的是(　　)‎ A．①为N≡N的断裂过程 B．①②③在高温区发生，④⑤在低温区发生 C．④为N原子由Fe区域向TiH区域的传递过程 D．使用TiHFe双温区催化剂使合成氨反应转变为吸热反应 答案　BC 解析　①为N2被催化剂吸附，②为形成过渡态过程，③为N≡N断裂过程，④为N原子传递过程，⑤为N—H成键过程。‎ ‎4．Bodensteins研究了下列反应：‎ ‎2HI(g)H2(g)＋I2(g)　ΔH＞0‎ 在716 K时，气体混合物中碘化氢的物质的量分数x(HI)与反应时间t的关系如下表：‎ t/min ‎0‎ ‎20‎ ‎40‎ ‎60‎ ‎80‎ ‎120‎ x(HI)‎ ‎1‎ ‎0.91‎ ‎0.85‎ ‎0.815‎ ‎0.795‎ ‎0.784‎ x(HI)‎ ‎0‎ ‎0.60‎ ‎0.73‎ ‎0.773‎ ‎0.780‎ ‎0.784‎ ‎(1)根据上述实验结果，该反应的平衡常数K的计算式为____________________________。‎ ‎(2)上述反应中，正反应速率为v正＝k正x2(HI)，逆反应速率为v逆＝k逆x(H2)x(I2)，其中k正、‎ k逆为速率常数，则k逆为_______(以K和k正表示)。若k正＝0.002 7 min－1，在t＝40 min时，v正＝________min－1。‎ ‎(3)由上述实验数据计算得到v正－x(HI)和v逆－x(H2)的关系可用下图表示。当升高到某一温度时，反应重新达到平衡，相应的点分别为______________(填字母)。‎ 答案　(1)　(2)k正/K　1.95×10－3‎ ‎(3)A、E 解析　(1)2HI(g)H2 (g)＋I2 (g)是反应前后气体物质的量不变的反应。反应后x(HI)＝0.784，则x(H2)＝x(I2)＝0.108，K＝＝＝。(2)到达平衡时，v正＝v逆，即k正x2(HI)＝k逆x(H2)x(I2)，k逆＝k正·＝k正/K。在t＝40 min时，x(HI)＝0.85，v正＝k正x2(HI)＝0.002 7 min－1×(0.85)2≈1.95×10－3 min－1。(3)原平衡时，x(HI)为0.784，x(H2)为0.108，二者在图中的纵坐标均约为1.6(因为平衡时v正＝v逆)，升高温度，正、逆反应速率均加快，对应两点在1.6上面，升高温度，平衡向正反应方向移动，x(HI)减小(A点符合)，x(H2)增大(E点符合)。‎