2021届高三化学一轮复习重点专题5——化学反应速率、平衡图像识图策略（练习）学生版

2020届高三化学一轮复习——化学反应速率、平衡图像识图策略

一、图像分类梳理

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

(3)利用图像“断点”判断影响速率的外因

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。

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 ——不定项选择题

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：ΔH<0，T1<T2

C．反应Ⅲ：ΔH>0，T2>T1或ΔH<0，T2<T1

D．反应Ⅳ：ΔH<0，T2>T1

2．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．正反应为放热反应，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

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ΔH<0

B．压强：p4>p3>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

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。

典型例题分析

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。

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。

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Ag-ZSM-5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。

强化训练

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(　　)

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

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Ti-H-Fe双温区催化剂(Ti-H区域和Fe区域有温度差可超过100 ℃)。Ti-H-Fe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Ti-H区域的传递过程

D．使用Ti-H-Fe双温区催化剂使合成氨反应转变为吸热反应

4、(2019·山东烟台期末)I2在KI溶液中存在下列平衡：I2(aq)＋I－(aq)I(aq)　ΔH。某I2、KI混合溶液中，I－的物质的量浓度c(I－)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．该反应ΔH<0

B．若在T1、T2温度下，反应的平衡常数分别为K1、K2，则K1<K2

C．若反应进行到状态D时，一定有v正>v逆

D．状态A与状态B相比，状态A的c(I)大

5、CO2经催化加氢可合成乙烯：2CO2(g)＋6H2(g)C2H4(g)＋4H2O(g)。0.1 MPa时，按n(CO2)∶n(H2)＝1∶3投料，测得不同温度下平衡时体系中各物质浓度的关系如图，下列叙述不正确的是(　　)

A．该反应的ΔH＜0

B．曲线b代表H2O的浓度变化

C．N点和M点所处的状态c(H2)不一样

D．其他条件不变，T1 ℃、0.2 MPa下反应达平衡时c(H2)比M点小

6、(2020·大连调研)已知反应：CO(g)＋3H2(g)CH4(g)＋H2O(g)。起始以物质的量之比为1∶1充入反应物，不同压强条件下，H2的平衡转化率随温度的变化情况如图所示(M、N点标记为▲)。下列有关说法正确的是(　　)

A．上述反应的ΔH<0

B．N点时的反应速率一定比M点的快

C．降低温度，H2的转化率可达到100%

D．工业上用此法制取甲烷应采用更高的压强

7、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：

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)。

8、CO2和H2充入一定体积的密闭容器中，反应过程和在两种温度下CH3OH的物质的量随时间的变化如图1所示。

(1)已知图1所示反应每消耗1 mol H2，热量变化是16.3 kJ，则反应的热化学方程式为

________________________________________________________________________。

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，若此反应在恒压容器中进行，能判断该反应达到化学平衡状态的依据是________(填字母)。

a．容器中压强不变

b．H2的体积分数不变

c．c(H2)＝3c(CH3OH)

d．容器中密度不变

e．2个C===O断裂的同时有3个H—H断裂

(3)一定比例的合成气在装有催化剂的反应器中反应12小时，体系中甲醇的产率和催化剂的催化活性与温度的关系如图2所示。

当温度为470 K时，图中P点________(填“是”或“不是”)处于平衡状态。490 K之后，甲醇产率下降的原因是_________________________________________________________。