2021年高考化学一轮复习讲义 第7章 专题讲座四　常考速率、平衡图像识图策略

专题讲座四　常考速率、平衡图像识图策略
一、常规图像分类突破


1．速率时间图像
(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)“渐变”类v－t图像
图像
分析
结论

t1时v′正突然增大，v′逆逐渐增大；v′正＞v′逆，平衡向正反应方向移动
t1时其他条件不变，增大反应物的浓度

t1时v′正突然减小，v′逆逐渐减小；v′逆＞v′正，平衡向逆反应方向移动
t1时其他条件不变，减小反应物的浓度

t1时v′逆突然增大，v′正逐渐增大；v′逆＞v′正，平衡向逆反应方向移动
t1时其他条件不变，增大生成物的浓度

t1时v′逆突然减小，v′正逐渐减小；v′正＞v′逆，平衡向正反应方向移动
t1时其他条件不变，减小生成物的浓度

(3)利用图像“断点”判断影响速率的外因
图像




t1
时刻
所改
变的
条件
温度
升高
降低
升高
降低
正反应为放热的反应
正反应为吸热的反应
压强
增大
减小
增大
减小
正反应为气体物
质的量增大的反应
正反应为气体物
质的量减小的反应

应用体验
在一密闭容器中发生反应N2＋3H22NH3　ΔH＜0，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________(填字母，下同)。
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。
2．浓度(转化率、百分含量)时间图像
(1)识图技巧
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。
②若为压强变化引起，压强较大时，反应达平衡所需时间短。
③若为是否使用催化剂，使用适宜催化剂时，反应达平衡所需时间短。
(2)应用举例
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。

应用体验
1．某化学科研小组研究在其他条件不变时，改变某一条件对化学平衡的影响，得到如下变化规律(图中p表示压强，T表示温度，n表示物质的量)。


根据以上规律判断，下列结论正确的是(　　)
A．反应Ⅰ：ΔH>0，p2>p1
B．反应Ⅱ：ΔHT1或ΔHc>a
答案　C


3．在一恒容的密闭容器中充入0.1 mol·L－1 CO2、0.1 mol·L－1CH4，在一定条件下发生反应：CH4(g)＋CO2(g)2CO(g)＋2H2(g)，测得CH4平衡转化率与温度、压强关系如图，下列有关说法不正确的是(　　)

A．上述反应的ΔHp3>p2>p1
C．1 100 ℃时该反应的平衡常数约为1.64
D．压强为p4时，在y点：v正>v逆
答案　A
解析　p1、p2、p3、p4是四条等压线，由图像可知，压强一定时，温度越高，CH4的平衡转化率越高，故正反应为吸热反应，ΔH>0，A项错误；该反应为气体分子数增加的反应，压强越高，甲烷的平衡转化率越小，故压强p4>p3>p2>p1，B项正确；压强为p4、温度为1 100 ℃时，甲烷的平衡转化率为80.00%，故平衡时各物质的浓度分别为c(CH4)＝0.02 mol·L－1，c(CO2)＝0.02 mol·L－1，c(CO)＝0.16 mol·L－1，c(H2)＝0.16 mol·L－1，即平衡常数K＝≈1.64，C项正确；压强为p4时，y点未达到平衡，此时v正>v逆，D项正确。
二、复杂化学平衡图像分类突破
【题型特点】
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．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；NO2含量相同时，升高温度，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。
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：①②>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＝≈1.7，D正确。
3．治理SO2、CO、NOx污染是化学工作者研究的重要课题。
Ⅰ.沥青混凝土可作为反应2CO(g)＋O2(g)2CO2(g)的催化剂。图甲表示在相同的恒容密闭容器、相同起始浓度、相同反应时间段下，使用同质量的不同沥青混凝土(α型、β型)催化时，CO的转化率与温度的关系。

(1)a、b、c、d四点中，达到平衡状态的是________。
(2)已知c点时容器中O2浓度为0.02 mol·L－1，则50 ℃时，在α型沥青混凝土中CO转化反应的平衡常数K＝________(用含x的代数式表示)。
(3)下列关于图甲的说法正确的是________(填字母)。
A．CO转化反应的平衡常数K(b)＜K(c)
B．在均未达到平衡状态时，同温下β型沥青混凝土中CO转化速率比α型要大
C．b点时CO与O2分子之间发生有效碰撞的几率在整个实验过程中最大
D．e点转化率出现突变的原因可能是温度升高后催化剂失去活性
Ⅱ.某含钴催化剂可以催化消除柴油车尾气中的碳烟(C)和NOx。不同温度下，将模拟尾气(成分如表所示)以相同的流速通过该催化剂，测得所有产物(CO2、N2、N2O)与NO的相关数据结果如图乙所示。
模拟尾气
气体(10 mol)
碳烟
NO
O2
He
物质的量/mol
0.025
0.5
9.475
n


(4)375 ℃时，测得排出的气体中含0.45 mol O2和0.052 5 mol CO2，则Y的化学式为________。
(5)实验过程中采用NO模拟NOx，而不采用NO2的原因是______________________________
__________________________________________________________________________________________________________________。
答案　(1)bcd　(2)　(3)BD　(4)N2O　(5)由于存在反应2NO2N2O4，会导致一定的分析误差
解析　(1)可逆反应达到平衡状态时，转化率为最大转化率，因此使用同质量的不同混凝土催化时，b、c对应的转化率最大，反应达到平衡，升高温度，平衡左移，一氧化碳的转化率减小，所以d点也为对应温度下的平衡状态。(2)假设一氧化碳的起始浓度为a mol·L－1，其转化率为x，则
2CO(g)＋O2(g)2CO2(g)
起始浓度/mol·L－1 a 0
变化浓度/mol·L－1 ax ax
平衡浓度/mol·L－1 a－ax 0.02 ax
平衡常数K＝＝＝。(3)该反应是放热反应，升高温度，平衡常数减小，A错误；由图可知，在均未达到平衡状态时，同温下β型沥青混凝土中CO转化速率比α型要大，B正确；反应物的浓度越大，分子之间发生有效碰撞的几率越大，b点为达到平衡状态的点，一氧化碳的转化率最大，剩余物质的浓度最小，有效碰撞几率不是最大的，C错误；温度太高，催化剂可能会失去活性，催化能力下降，D正确。
(4)模拟尾气中一氧化氮的物质的量为0.025 mol,375 ℃时参与反应生成X和Y的一氧化氮的物质的量为0.025 mol×(8%＋16%)＝0.006 mol，模拟尾气中O2的物质的量为0.5 mol，测得排出的气体中含0.45 mol O2，说明实际参与反应的氧气的物质的量为0.05 mol，同时测得含有0.052 5 mol CO2，根据氧原子守恒可以知道一氧化二氮的物质的量为0.05 mol×2＋0.006 mol－0.052 5 mol×2＝0.001 mol，根据氮原子守恒可以知道氮气的物质的量为 mol＝0.002 mol，所以16%对应的是氮气而8%对应的是一氧化二氮。
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、E
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)。