2020届高考化学一轮复习化学反应速率及化学平衡图像学案

2020届高考化学一轮复习化学反应速率及化学平衡图像学案

化学反应速率及化学平衡特别熟图像的解读 考情剖析 在近几年高考中,化学反应速率及化学平衡中图像问题考查的比较多,且特殊图像常出常新。全国卷近几年考查情况:‎ 年份 ‎2018‎ ‎2017‎ ‎2016‎ ‎2015‎ 题号 全国卷Ⅱ第27题;全国卷Ⅲ第28题 ‎2017年全国卷Ⅱ第27题、2017年全国卷Ⅲ第28题 ‎ ‎2016年全国卷Ⅰ第27题、2016年全国卷Ⅱ第27题、2016年全国卷Ⅲ第27题 ‎2015年全国卷Ⅰ第28题、2015年全国卷Ⅱ第27题 增分点一　浓度、速率特殊图像 ‎【解题策略】 本类试题中的图像纵坐标为浓度或速率,横坐标可能是反应的时间或反应物进料比。‎ 解题时应注意:‎ ‎①明标 明晰横、纵坐标所表示的化学含义,这是理解题意和进行正确思维的前提;明晰坐标含义,也就是用变量的观点分析坐标,找出横、纵坐标的关系,再结合教材,联系相应的知识点。‎ ‎②找点 找出曲线中的特殊点(起点、顶点、拐点、终点、交叉点、平衡点等),分析这些点所表示的化学意义以及影响这些点的主要因素及限制因素等,大多考题就落在这些点的含义分析上,因为这些点往往隐含着某些限制条件或某些特殊的化学含义。‎ ‎③析线 正确分析曲线的走向、变化趋势(上升、下降、平缓、转折等),同时对走势有转折变化的曲线,要分区段进行分析,研究找出各段曲线的变化趋势及其含义。‎ 例1 [2017·全国卷Ⅲ节选] 298 K时,将20 mL 3x mol·L-1 Na3AsO3、20 mL 3x mol·L-1 I2和20 mL NaOH溶液混合,发生反应AsO33- (aq)+I2(aq)+2OH-(aq) ⇌AsO43-(aq)+2I-(aq)+H2O(l)。溶液中c(AsO43-)与反应时间(t)的关系如图Z9-1所示。‎ 图Z9-1‎ ‎(1)下列可判断反应达到平衡的是　　　　(填标号)。 ‎ a.溶液的pH不再变化 b.v(I-)=2v(AsO33-)‎ c.c(AsO‎4‎‎3-‎)‎c(AsO‎3‎‎3-‎)‎不再变化 d.c(I-)=y mol·L-1‎ ‎(2)tm时,v正　　　　(填“大于”“小于”或“等于”)v逆。 ‎ ‎(3)tm时v逆　　　　tn时v逆(填“大于”“小于”或“等于”),理由是　　　　　。 ‎ ‎(4)若平衡时溶液的pH=14,则该反应的平衡常数K为　　　　。 ‎ 变式题 [2016·全国卷Ⅲ节选] 煤燃烧排放的烟气含有SO2和NOx,形成酸雨、污染大气,采用NaClO2溶液作为吸收剂可同时对烟气进行脱硫、脱硝。‎ 在不同温度下,NaClO2溶液脱硫、脱硝的反应中SO2和NO的平衡分压pc如图Z9-2所示。‎ 图Z9-2‎ 由图分析可知,反应温度升高,脱硫、脱硝反应的平衡常数均　　　　(填“增大”“不变”或“减小”)。 ‎ 增分点二　产率或转化率图像 ‎【解题策略】 本类试题中的图像纵坐标为转化率或产率,横坐标可能是反应的温度或反应物进料比,解题时应先弄清横坐标的含义,结合化学反应原理挖掘隐含信息,联想相应的规律统摄多种信息,若图像有两种影响条件时,也应采用“定一议一”的方法,结合题设问题进行逻辑推理或运用数据计算分析。‎ 例2 [2018·全国卷Ⅲ] 三氯氢硅(SiHCl3)是制备硅烷、多晶硅的重要原料。回答下列问题:‎ ‎(1)SiHCl3在常温常压下为易挥发的无色透明液体,遇潮气时发烟生成(HSiO)2O等,写出该反应的化学方程式:　　　　　　　。 ‎ ‎(2)SiHCl3在催化剂作用下发生反应:‎ ‎2SiHCl3(g)=SiH2Cl2(g)+SiCl4(g) ΔH1=48 kJ·mol-1‎ ‎3SiH2Cl2(g)=SiH4(g)+2SiHCl3(g) ΔH2=-30 kJ·mol-1‎ 则反应4SiHCl3(g)=SiH4(g)+3SiCl4(g)的ΔH为　　　　kJ·mol-1。 ‎ ‎(3)对于反应2SiHCl3(g)=SiH2Cl2(g)+SiCl4(g),采用大孔弱碱性阴离子交换树脂催化剂,在323 K和343 K时SiHCl3的转化率随时间变化的结果如图Z9-3所示。‎ 图Z9-3‎ ‎①343 K时反应的平衡转化率α=　　　%。平衡常数K343 K=　　(保留2位小数)。 ‎ ‎②在343 K下:要提高SiHCl3转化率,可采取的措施是　　　　;要缩短反应达到平衡的时间,可采取的措施有　　　　、　　　　。 ‎ ‎③比较a、b处反应速率大小:va　　　　(填“大于”“小于”或“等于”)vb。反应速率v=v正-v逆=k正xSiHCl‎3‎‎2‎-k逆xSiH‎2‎Cl‎2‎xSiCl‎4‎,k正、k逆分别为正、逆向反应速率常数,x为物质的量分数,计算a处的v正v逆=　　　　(保留1位小数)。 ‎ 变式题 [2017·全国卷Ⅱ] 丁烯是一种重要的化工原料,可由丁烷催化脱氢制备。回答下列问题:‎ ‎(1)正丁烷(C4H10)脱氢制1-丁烯(C4H8)的热化学方程式如下:‎ ‎①C4H10(g)=C4H8(g)+H2(g)　ΔH1‎ 已知:②C4H10(g)+ 1/2O2(g)=C4H8(g)+H2O(g)　ΔH2=-119 kJ·mol-1‎ ‎③H2(g)+1/2O2(g)=H2O(g)　ΔH3=-242 kJ·mol-1‎ 反应①的ΔH1为　　　　kJ·mol-1。图Z9-4(a)是反应①平衡转化率与反应温度及压强的关系图,x　　　　(填“大于”或“小于”)0.1;欲使丁烯的平衡产率提高,应采取的措施是　　　　(填标号)。 ‎ A.升高温度 B.降低温度 C.增大压强 D.降低压强 ‎ ‎ 图Z9-4‎ ‎(2)丁烷和氢气的混合气体以一定流速通过填充有催化剂的反应器(氢气的作用是活化催化剂),出口气中含有丁烯、丁烷、氢气等。图(b)为丁烯产率与进料气中n(氢气)/n(丁烷)的关系。图中曲线呈现先升高后降低的变化趋势,其降低的原因是 　。 ‎ ‎(3)图(c)为反应产率和反应温度的关系曲线,副产物主要是高温裂解生成的短碳链烃类化合物。丁烯产率在590 ℃ 之前随温度升高而增大的原因可能是　　、　　;590 ℃之后,丁烯产率快速降低的主要原因可能是　　　　　　　。 ‎ ‎1.(1)[2016·全国卷Ⅱ] 丙烯腈(CH2=CHCN)是一种重要的化工原料,工业上可用“丙烯氨氧化法”生产。主要副产物有丙烯醛(CH2=CHCHO)和乙腈(CH3CN)等。回答下列问题:‎ ‎①以丙烯、氨、氧气为原料,在催化剂存在下生成丙烯腈(C3H3N)和副产物丙烯醛(C3H4O)的热化学方程式如下:‎ a.C3H6(g)+NH3(g)+3/2O2(g)=C3H3N(g)+3H2O(g)　ΔH=-515 kJ·mol-1‎ b.C3H6(g)+O2(g)=C3H4O(g)+H2O(g)　ΔH=-353 kJ·mol-1‎ 两个反应在热力学上趋势均很大,其原因是　　　;有利于提高丙烯腈平衡产率的反应条件是　　　　;提高丙烯腈反应选择性的关键因素是　　　　。 ‎ ‎②图Z9-5(a)为丙烯腈产率与反应温度的关系曲线,最高产率对应的温度为460 ℃。低于460 ℃时,丙烯腈的产率　　　　(填“是”或“不是”)对应温度下的平衡产率,判断理 由是　　　　;高于460 ℃时,丙烯腈产率降低的可能原因是　　　　(双选,填标号)。 ‎ A.催化剂活性降低 B.平衡常数变大 C.副反应增多 D.反应活化能增大 图Z9-5‎ ‎③丙烯腈和丙烯醛的产率与n(氨)/n(丙烯)的关系如图(b)所示。由图可知,最佳n(氨)/n(丙烯)约为　　,理由是　　　　。进料气氨、空气、丙烯的理论体积比约为　　　　　。 ‎ ‎(2)[2015·全国卷Ⅱ节选] 甲醇既是重要的化工原料,又可作为燃料。利用合成气(主要成分为CO、CO2和H2)在催化剂作用下合成甲醇,发生的主要反应如下:‎ ‎①CO(g)+2H2(g) ⇌CH3OH(g) ΔH1‎ ‎②CO2(g)+3H2(g) ⇌CH3OH(g)+H2O(g)　 ΔH2‎ ‎③CO2(g)+H2(g) ⇌CO(g)+H2O(g)　 ΔH3‎ ⅰ.反应①的化学平衡常数K表达式为　　　;图Z9-6(a)中能正确反映平衡常数K随温度变化关系的曲线为　　　　(填曲线标记字母),其判断理由是　　　　　。 ‎ ‎ ‎ (a) ‎ (b)‎ 图Z9-6‎ ⅱ.合成气组成n(H2)/n(CO+CO2)=2.60时,体系中的CO平衡转化率(α)与温度和压强的 关系如图(b)所示。α(CO)值随温度升高而　　　(填“增大”或“减小”),其原因是　　　　　　;图(b)中的压强由大到小为　　　　,其判断理由是　  　。 ‎ ‎2.[2018·茂名模拟] 二甲醚具有优良的燃烧性能,被称为21世纪的“清洁能源”,以下为其中一种合成二甲醚的方法,在一定温度、压强和催化剂作用下,在同一反应容器中进行如下反应:‎ ‎①CO2(g)+3H2(g) ⇌CH3OH(g)+H2O(g) ΔH1=-49.1 kJ·mol-1‎ ‎②2CH3OH(g) ⇌CH3OCH3(g)+H2O(g) ΔH2=-24.5 kJ·mol-1‎ ‎③CO2(g)+H2(g) ⇌CO(g)+H2O(g) ΔH3=+41.2 kJ·mol-1‎ ‎(1)写出CO2(g)和H2(g)转化为CH3OCH3(g)和H2O(g)的热化学方程式:　　　。 ‎ ‎(2)一定条件下,原料气中n(H‎2‎)‎n(CO‎2‎)‎比值和温度对CO2平衡转化率影响的实验数据如图Z9-7。‎ 图Z9-7‎ ‎①温度为T1 K时,在1 L反应容器中投入2 mol CO2和8 mol H2进行反应,试计算达到平衡时CO2的浓度为　　　　。 ‎ ‎②结合数据图,归纳CO2平衡转化率受外界条件影响的变化规律:‎ a.　 。 ‎ b.　 。 ‎ ‎(3)为研究初始投料比与二甲醚产率关系,在一定温度和压强下,投入一定物质的量的H2、CO、CO2进行实验,发现二甲醚的平衡产率随原料气中n(CO)‎n(CO)+n(CO‎2‎)‎值增大而增大,试分析其原因:  　 。 ‎ ‎【增分典例探究】‎ 例1　(1)a、c　(2)大于 ‎(3)小于　tm时生成物浓度较低 ‎(4)‎4‎y‎3‎‎(x-y‎)‎‎2‎(mol·L-1)-1‎ ‎[解析] (1)溶液的pH不再变化,说明c(OH-)不变,可判断反应达到平衡;v(I-)=2v(AsO‎3‎‎3-‎)在任何反应阶段都成立,与平衡无关;c(AsO‎4‎‎3-‎)‎c(AsO‎3‎‎3-‎)‎不再变化,说明反应物和生成物的浓度保持不变,说明反应达到平衡;根据反应的化学计量数可知,当c(I-)=y mol·L-1时,c(AsO‎4‎‎3-‎)一定不等于y mol·L-1,说明反应未达平衡,故选a、c。(2)tm时,反应还未达到平衡,继续向正反应方向进行,即tm时,v正>v逆。(3)由于tn时的c(AsO‎4‎‎3-‎)>tm时的c(AsO‎4‎‎3-‎),故tm时的v逆vb。在a点所在曲线达到平衡时,v正=v逆,即k正xSiHCl‎3‎‎2‎=k逆xSiH‎2‎Cl‎2‎xSiCl‎4‎,从图像上可知,平衡时SiHCl3的转化率为22%,假设投入SiHCl3的物质的量为1 mol。‎ ‎　　　　　　2SiHCl3SiH2Cl2+SiCl4‎ 起始/mol　　　 1　　　　　0　　　0‎ 转化/mol　　 0.22　　　　0.11　 0.11‎ 平衡/mol　　 0.78　　　　0.11　 0.11 ‎ 代入k正xSiHCl‎3‎‎2‎=k逆xSiH‎2‎Cl‎2‎xSiCl‎4‎,k正0.782=k逆0.112,则k正k逆=‎0.1‎‎1‎‎2‎‎0.7‎‎8‎‎2‎。‎ 在a点SiHCl3的转化率为20%。‎ ‎　　　　　　2SiHCl3SiH2Cl2+SiCl4‎ 起始/mol　　　 1　　　　　0　　　0‎ 转化/mol　　 0.2　　　 　0.1　　0.1‎ 平衡/mol　　 0.8　　 　　0.1　　0.1 ‎ 代入v正v逆=k正xSiHCl‎3‎‎2‎k逆xSiH‎2‎Cl‎2‎xSiCl‎4‎=k正‎0.‎‎8‎‎2‎k逆‎0.‎‎1‎‎2‎=‎0.1‎‎1‎‎2‎‎0.7‎‎8‎‎2‎×‎0.‎‎8‎‎2‎‎0.‎‎1‎‎2‎≈1.3。‎ 变式题　(1)+123　小于　AD ‎(2)氢气是产物之一,随着n(氢气)‎n(丁烷)‎增大,逆反应速率增大 ‎(3)升高温度有利于反应向吸热方向进行　温度升高反应速率加快　丁烯高温裂解生成短链烃类 ‎[解析] (1)根据盖斯定律可知,热化学方程式②-③可得①式,因此ΔH1=ΔH2-ΔH3=-119 kJ·mol-1+242 kJ·mol-1=+123 kJ·mol-1。反应①是正向气体体积增大的反应,减压平衡正向移动,由图(a)可知,温度相同时,由0.1 MPa变化到x MPa时丁烷的转化率增大,化学平衡正向移动,故x<0.1;由于反应①为吸热反应,温度升高时平衡正向移动,丁烯的平衡产率增大, A项正确、B项错误;反应①正向进行时体积增大,加压时平衡逆向移动,丁烯的平衡产率减小,C项错误,D项正确。(2)由题意可知H2的作用是活化催化剂,同时是反应①的产物,因此会促使平衡逆向移动,随着n(氢气)‎n(丁烷)‎增大,逆反应速率增大,丁烯产率下降。(3)温度升高则反应速率加快,相同时间内生成的丁烯会更多,同时由于反应①是吸热反应,升高温度平衡正向移动,平衡体系中会含有更多的丁烯;当温度高于590 ℃时,因丁烯高温会裂解生成短链烃类,导致丁烯的产率降低。‎ ‎【提分强化训练】‎ ‎1.(1)①两个反应均为放热量大的反应　降低温度降低压强　催化剂 ‎②不是　该反应为放热反应,平衡产率应随温度升高而降低　AC ‎③1　该比例下丙烯腈产率最高,而副产物丙烯醛产率最低　1∶7.5∶1‎ ‎(2)ⅰ.K=c(CH‎3‎OH)‎c(CO)·c‎2‎(H‎2‎)‎[或Kp=p(CH‎3‎OH)‎p(CO)·p‎2‎(H‎2‎)‎]　a　反应①为放热反应,平衡常数数值应随温度升高而变小 ⅱ.减小　反应①为放热反应,升高温度时,平衡向左移动,使得体系中CO的量增大;反应③为吸热反应,升高温度时,平衡向右移动,又使产生CO的量增大;总结果,随温度升高,使CO的转化率降低　p3>p2>p1　相同温度下,由于反应①为气体分子数减小的反应,加压有利于提升CO的转化率;而反应③为气体分子数不变的反应,产生CO的量不受压强影响。故增大压强时,有利于CO的转化率升高 ‎[解析] (1)①由题意可知,反应a、b都是放热反应,反应a、b分别放出515 kJ·mol-1和353 kJ·mol-1热量,两反应均符合化学反应自发进行的焓判据;反应a的正反应是气体体积增大的放热反应,由勒夏特列原理可知,降温、减压均能使反应a的化学平衡向正反应方向移动,提高丙烯腈平衡产率;催化剂具有高度的专一性,因此提高丙烯腈反应选择性的关键因素是催化剂,而非温度、压强。②反应a的正反应是放热反应,如果已经达到化学平衡状态,当投料、压强、浓度等变量不变时,升温能使平衡左移,丙烯腈的产率逐渐减小,读图可知,低于460 ℃时,丙烯腈的产率不是对应温度下的平衡产率。温度高于460 ℃时,催化剂活性可能降低,导致丙烯腈产率降低,A项正确;反应a的正反应是放热反应,升温使平衡逆向移动,平衡常数逐渐变小,B项错误;温度高于460 ℃时,副反应进行程度可能增多,反应a进行程度减少,导致丙烯腈产率降低,C项正确;反应活化能与催化剂有关,与温度、压强、浓度等无关,升高温度,不能使反应活化能改变,D项错误。③读图可知,最佳n(氨)/n(丙烯)约为1,因为该比例下丙烯腈产率最高,而副产物丙烯醛产率最低。由反应a的热化学方程式可知,进料气中氨、氧气、丙烯气体的理论体积之比为1∶1.5∶1,空气中氧气的体积分数约为‎1‎‎5‎(氮气约占‎4‎‎5‎),‎ 则进料气中氨、空气、丙烯的理论体积比约为1∶‎1.5‎‎1‎‎5‎∶1=1∶7.5∶1。‎ ‎(2)ⅰ.反应①为放热反应,温度升高平衡逆向移动,平衡常数K减小,a曲线正确。‎ ‎2.(1)2CO2(g)+6H2(g)CH3OCH3(g)+3H2O(g)　ΔH=-122.7 kJ·mol-1‎ ‎(2)①1 mol·L-1‎ ‎②a.其他条件不变,CO2平衡转化率随n(H‎2‎)‎n(CO‎2‎)‎比值增大而增大 b.其他条件不变,CO2平衡转化率随反应温度升高而减小 ‎(3)CO的含量增大,反应③平衡将向逆反应方向移动,既消耗更多的水,又增大了CO2和H2的含量,从而促使反应①和②的平衡向正反应方向移动,二甲醚产率增大(答案合理即可)‎ ‎[解析] (1)首先写出化学方程式及物质的状态:2CO2(g)+6H2(g)CH3OCH3(g)+3H2O(g)。可知目标化学方程式可由已知化学方程式①×2+②得到,利用盖斯定律计算ΔH=2ΔH1+ΔH2=-122.7 kJ·mol-1。(2)①由题图知温度为T1 K时,CO2的平衡转化率为50%,则剩余1 mol CO2。计算得此时CO2的浓度为1 mol·L-1。②相同温度时比较原料气中n(H‎2‎)‎n(CO‎2‎)‎的值对转化率的影响,原料气中n(H‎2‎)‎n(CO‎2‎)‎的值一定时判断温度对转化率的影响。‎