2019届一轮复习人教版第七章专题讲座三“化学反应速率、化学平衡图像”类型与突破 学案
专题讲座三 “化学反应速率、化学平衡图像”类型与突破
一、利用图像“断点”探究外因对反应速率的影响
1.当可逆反应达到一种平衡后,若某一时刻外界条件发生改变,都可能使速率-时间图像的曲线出现不连续的情况,根据出现“断点”前后的速率大小,即可对外界条件的变化情况作出判断。如图:
t1时刻改变的条件可能是使用了催化剂或增大压强(仅适用于反应前后气体物质的量不变的反应)。
2.常见含“断点”的速率变化图像分析
图像
t1时刻所改变的条件
温度
升高
降低
升高
降低
适合正反应为放热的反应
适合正反应为吸热的反应
压强
增大
减小
增大
减小
适合正反应为气体
物质的量增大的反应
适合正反应为气体
物质的量减小的反应
1.(2017·马鞍山二中质检)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)( )
答案 C
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。
2.(2018·长沙模拟)对于反应:X(g)+Y(g)??2Z(g) ΔH<0的反应,某一时刻改变外界条件,其速率随时间的变化图像如图所示。则下列说法符合该图像的是( )
A.t1时刻,增大了X的浓度
B.t1时刻,升高了体系温度
C.t1时刻,降低了体系温度
D.t1时刻,使用了催化剂
答案 D
解析 由图像可知,外界条件同等程度地增大了该反应的正、逆反应速率。增大X的浓度,升高(或降低)体系温度均不会同等程度地改变正、逆反应速率,A、B、C错误;使用催化剂可同等程度地改变正、逆反应速率,D正确。
3.在一密闭容器中发生反应N2+3H2??2NH3,达到平衡后,只改变某一个条件时,反应速率与反应时间的关系如图所示。
回答下列问题:
(1)处于平衡状态的时间段是________(填选项)。
A.t0~t1 B.t1~t2 C.t2~t3
D.t3~t4 E.t4~t5 F.t5~t6
(2)判断t1、t3、t4时刻分别改变的一个条件。
A.增大压强 B.减小压强 C.升高温度
D.降低温度 E.加催化剂 F.充入氮气
t1时刻________;t3时刻________;t4时刻________。
(3)依据(2)中的结论,下列时间段中,氨的百分含量最高的是__________。
A.t0~t1 B.t2~t3
C.t3~t4 D.t5~t6
(4)如果在t6时刻,从反应体系中分离出部分氨,t7时刻反应达到平衡状态,请在图中画出反应速率的变化曲线。
答案 (1)ACDF (2)C E B (3)A
(4)
解析 (1)根据图示可知,t0~t1、t2~t3、t3~t4、t5~t6时间段内,v正、v逆相等,反应处于平衡状态。
(2)t1时,v正、v逆同时增大,且v逆增大得更快,平衡向逆反应方向移动,所以t1时改变的条件是升温。t3时,v正、v逆同时增大且增大量相同,平衡不移动,所以t3时改变的条件是加催化剂。t4时,v正、v逆同时减小,但平衡向逆反应方向移动,所以t4时改变的条件是减小压强。
(3)根据图示知,t1~t2、t4~t5时间段内平衡均向逆反应方向移动,NH3的含量均比t0~t1时间段的低,所以t0~t1时间段内NH3的百分含量最高。
(4)t6时刻分离出部分NH3,v逆立刻减小,而v正逐渐减小,在t7时刻二者相等,反应重新达到平衡,据此可画出反应速率的变化曲线。
二、常规图像分类突破
1.图像类型
(1)浓度—时间
如A(g)+B(g)??AB(g)
(2)含量—时间—温度(压强)
(C%指产物的质量分数,B%指某反应物的质量分数)
(3)恒压(或恒温)线
(α表示反应物的转化率,c表示反应物的平衡浓度)
图①,若p1>p2>p3,则正反应为气体体积减小的反应,ΔH<0;
图②,若T1>T2,则正反应为放热反应。
(4)几种特殊图像
①对于化学反应mA(g)+nB(g)??pC(g)+qD(g),M点前,表示从反应物开始,v正>v逆;M点为刚达到平衡点(如下图);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,故正反应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(如下图)。L线的左上方(E点),A的百分含量大于此压强时平衡体系的A的百分含量,所以,E点v正>v逆;则L线的右下方(F点),v正<v逆。
2.解题步骤
3.解题技巧
(1)先拐先平
在含量(转化率)—时间曲线中,先出现拐点的先达到平衡,说明该曲线反应速率快,表示温度较高、有催化剂、压强较大等。
(2)定一议二
当图像中有三个量时,先确定一个量不变,再讨论另外两个量的关系,有时还需要作辅助线。
(3)三步分析法
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。
1.有一化学平衡mA(g)+nB(g)??pC(g)+qD(g),如图表示的是A的转化率与压强、温度的关系。下列叙述正确的是( )
A.正反应是放热反应;m+n>p+q
B.正反应是吸热反应;m+n<p+q
C.正反应是放热反应;m+n<p+q
D.正反应是吸热反应;m+n>p+q
答案 D
解析 图像中有三个变量,应定一个量来分别讨论另外两个量之间的关系。定压强,讨论T与A的转化率的关系:同一压强下,温度越高,A的转化率越高,说明正反应是吸热反应;定温度,讨论压强与A的转化率的关系:同一温度下,压强越大,A的转化率越高,说明正反应是气体体积缩小的反应,即m+n>p+q。
2.(2018·惠州高三模拟)T0时,在2 L的密闭容器中发生反应:X(g)+Y(g)??Z(g)(未配平),各物质的物质的量随时间变化的关系如图a所示。其他条件相同,温度分别为T1、T2时发生反应,X的物质的量随时间变化的关系如图b所示。下列叙述中正确的是( )
A.该反应的正反应是吸热反应
B.T0时,从反应开始到平衡时:v(X)=0.083 mol·L-1·min-1
C.图a中反应达到平衡时,Y的转化率为37.5%
D.T1时,若该反应的平衡常数K的值为50,则T1
T2,温度越高,X的物质的量越大,则平衡向左移动,正反应放热,A项不正确;v(X)=≈0.042 mol·L-1·min-1,B项不正确;Y的转化率为×100%=62.5%,C项不正确;由图a可知X、Y、Z物质的量变化之比为1∶1∶2,则反应为X(g)+Y(g)??2Z(g),则T0时平衡常数的值为33.3<50,平衡常数越小,温度越高,D项正确。
3.(2015·四川理综,7)一定量的CO2与足量的碳在体积可变的恒压密闭容器中反应:C(s)+CO2(g)??2CO(g),平衡时,体系中气体体积分数与温度的关系如下图所示:
已知:气体分压(p分)=气体总压(p总)×体积分数。下列说法正确的是( )
A.550 ℃时,若充入惰性气体,v正、v逆均减小,平衡不移动
B.650 ℃时,反应达平衡后CO2的转化率为25.0 %
C.T时,若充入等体积的CO2和CO,平衡向逆反应方向移动
D.925 ℃时,用平衡分压代替平衡浓度表示的化学平衡常数Kp=24.0p总
答案 B
解析 A项,C(s)+CO2(g)??2CO(g)的正反应是气体物质的量增加的反应,由于反应容器为体积可变的恒压密闭容器,充入惰性气体容器体积扩大,对反应体系相当于减小压强,故v正、v逆均减小,平衡正向移动,错误;B项,由图可知,650 ℃时,若设起始时CO2的体积为1 L,平衡时CO2消耗的体积为x L,则
C(s)+CO2(g)??2CO(g)
V(始)/L 1 0
V(变)/L x 2x
V(平)/L 1-x 2x
×100%=40.0%,x=0.25,CO2的转化率为25%,正确;C项,由图可知,T时平衡体系中CO和CO2的体积分数均为50%,故若恒压时充入等体积的CO2和CO两种气体,平衡不发生移动,错误;D项,925 ℃时,CO的平衡分压p(CO)=p总×96.0%,CO2的平衡分压p(CO2)=p总×4%,根据化学平衡常数的定义可知Kp===23.04p总,错误。
4.臭氧在烟气脱硝中的反应为2NO2(g)+O3(g)??N2O5(g)+O2(g)。若此反应在恒容密闭容器中进行,相关图像如下,其中对应分析结论正确的是( )
A
B
平衡后升温,NO2含量降低
0~2 s内,v(O3)=0.2 mol·L-1·s-1
C
D
v正:b点>a点
b点:v逆>v正
恒温,t1时再充入O3
答案 C
解析 由图可知该反应为放热反应,平衡后升高温度,NO2含量升高,A项错误;0~2 s内,v(O3)=0.1 mol·L-1·s-1,B项错误;升高温度,NO2含量升高,速率增大,v正:b点>a点,b点反应逆向进行,故v逆>v正,C项正确;t1时再充入O3,平衡正向移动,v正>v逆,D项错误。
三、陌生图像突破
新型图像往往根据实际工业生产,结合图像,分析投料比、转化率、产率的变化。此类题目信息量较大,能充分考查学生读图、提取信息、解决问题的能力,在新课标高考中受到命题者的青睐。
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.(2018·山西省实验中学月考)将一定量氨基甲酸铵(NH2COONH4)加入密闭容器中,发生反应NH2COONH4(s)??2NH3(g)+CO2(g)。该反应的平衡常数的负对数(-lg K)值随温度(T)的变化曲线如图所示,下列说法中不正确的是( )
A.该反应的ΔH>0
B.NH3的体积分数不变时,该反应一定达到平衡状态
C.A点对应状态的平衡常数K(A)的值为10-2.294
D.30 ℃时,B点对应状态的v正K,反应向逆反应方向进行,v正b,A错误;b点只能说明该温度下,CO2和H2O的浓度相等,不能说明v正(CO2)=v逆(H2O),B错误;从图像可知,a点H2和H2O的物质的量百分数相等,故物质的量相等,C正确;其他条件恒定,充入更多H2,反应物浓度增大,正反应速率增大,v(CO2)也增大,D错误。
3.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,平衡向正反应方向进行,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=≈1.7,D正确。
4.[2015·全国卷Ⅰ,28(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 ②k正/K 1.95×10-3 ③A点、E点
解析 ①2HI(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)。