化学必修 第二册第一单元 化学反应速率与反应限度导学案

微专题(一)　化学反应速率常用的计算方法与图像分析

一、“三段式”法在化学反应速率和平衡计算中的应用

1．写出有关反应的化学方程式。

2．找出各物质的起始量、转化量、某时刻量。

3．根据已知条件列方程式计算。

　　　　　　　　　 2A(g)　＋　B(g)2C(g)

起始浓度/(mol·L－1)   2          1       0

转化浓度/(mol·L－1)   2x         x       2x

n s后浓度/(mol·L－1)   2－2x      1－x    2x

有v(A)＝ mol·L－1·s－1，v(B)＝ mol·L－1·s－1，v(C)＝ mol·L－1·s－1，B的转化率为×100%。

二、化学反应速率和限度的图像分析

化学反应速率问题常以图像题的形式出现，在相关图像的平面直角坐标系中，可能出现的物理量有物质的量、浓度、时间等。解题时，重点是理解图像的意义和特点。

1．关注图像中的“点、线、面”

(1)关注“面”——明确研究对象

理解各坐标轴所代表量的意义及曲线所示的是哪些量之间的关系。

弄清楚是物质的量还是浓度随时间的变化。

(2)关注“线”

①弄清曲线的走向，是增大还是减小，确定反应物和生成物，浓度减小的是反应物，浓度增大的是生成物。

②分清突变和渐变；理解曲线“平”与“陡”即斜率大小的意义。

(3)关注“点”

解题时要特别关注特殊点，如坐标轴的交点、几条曲线的交叉点、极值点、转折点等。深刻理解这些特殊点的意义。

2．联系规律

如各物质的转化量之比与化学计量数之比的关系，各物质的化学反应速率之比与化学计量数之比的关系，外界条件的改变对化学反应速率的影响规律等。

3．正确判断

根据题干和题目要求，结合图像信息，正确利用相关规律做出正确的判断。

1．(2020·武汉高一期中)在容积可变的密闭容器中，2 mol N2和8 mol H2在一定条件下发生反应，达到平衡时，H2的转化率为25%，则平衡时氮气的体积分数接近于(　　)

A．5%  B．10%  C．15%  D．20%

答案　C

解析　达到平衡时，H2转化的物质的量为8 mol×25%＝2 mol。在一定条件下，N2与H2发生反应：

　　　　　　　　　　N2＋3H22NH3

起始物质的量/mol     2    8　      0

转化物质的量/mol       　2       

平衡物质的量/mol       　6       

同温同压下，气体的体积比等于其物质的量之比，故平衡时氮气的体积分数为×100%≈15%。

2．(2020·西安市未央区校级期中)在一定条件下发生反应：2A(g)＋2B(g)xC(g)＋2D(g)，在2 L密闭容器中，把4 mol A和2 mol B混合，2 min后达到平衡时生成1.2 mol C，又测得反应速率v(D)＝0.2 mol·L－1·min－1，下列说法正确的是(　　)

A．A和B的转化率均是20%

B．x＝3

C．平衡时A的物质的量为2.8 mol

D．平衡时气体压强比原来减小

答案　B

解析　2 min时生成n(D)＝0.2 mol·L－1·min－1×2 min×2 L＝0.8 mol，根据化学方程式知，n(A)(消耗)＝n(B)(消耗)＝n(D)(生成)＝0.8 mol，A的转化率为×100%＝×100%＝20%，B的转化率为×100%＝40%，故A错误；相同时间内v(C)＝mol·L－1·

min－1＝0.3 mol·L－1·min－1，v(C)∶v(D)＝x∶2＝0.3 mol·L－1·min－1∶0.2 mol·L－1·min－1＝3∶2，则x＝3，故B正确；平衡时n(A)＝(4－0.8)mol＝3.2 mol，故C错误；恒温恒容条件下，气体压强与气体物质的量成正比，反应前后气体的化学计量数之和增大，则反应前后气体总物质的量增大，所以平衡时气体压强比原来增大，故D错误。

3．在一定条件下，将3 mol A和1 mol B投入容积为2 L的密闭容器中，发生如下反应：3A(g)＋B(g)xC(g)＋2D(g)。2 min末测得此时容器中C和D的浓度为0.2 mol·L－1和0.4 mol·

L－1。下列叙述正确的是(　　)

A．x＝2

B．2 min末，容器内的压强为开始时的80%

C．2 min末，B的反应速率为0.1 mol·L－1·min－1

D．A的转化率为40%

答案　D

解析　2 min末测得此时容器中C和D的浓度为0.2 mol·L－1和0.4 mol·L－1，根据浓度改变量之比等于化学计量数之比得出x＝1，A项错误；

　　　   3A(g) ＋ B(g)  C(g) ＋ 2D(g)

起始     3 mol    1 mol    0       0

2 min末  1.8 mol   0.6 mol  0.4 mol  0.8 mol

2 min末，n总＝3.6 mol,2 min末的压强为开始时的90%，B项错误；2 min末测得此时容器中D的浓度为0.4 mol·L－1，则B浓度改变量为0.2 mol·L－1，因此2 min内B的平均反应速率为0.1 mol·L－1·min－1,2 min末是指的瞬时速率，C项错误；2 min末测得此时容器中D的浓度为0.4 mol·L－1，则A浓度改变量为0.6 mol·L－1，Δn(A)＝0.6 mol·L－1×2 L＝1.2 mol，A的转化率α＝×100%＝40%，D项正确。

4．常温下，将a mol氮气与b mol氢气的混合气体通入一个固定容积的密闭容器中，发生反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)。

(1)若反应进行到某时刻t时，nt(N2)＝13 mol，nt(NH3)＝6 mol，则a的值为________。

(2)反应达到平衡时，混合气体的体积为716.8 L(标准状况下)，其中氨气体积分数为25%，平衡时氨气的物质的量为________。

(3)原混合气体与平衡混合气体的总物质的量之比(写最简整数比，下同)n始∶n平＝________。

(4)原气体中a∶b＝________。

(5)达到平衡时混合气体中，n(N2)∶n(H2)∶n(NH3)＝________。

答案　(1)16　(2)8 mol　(3)5∶4　(4)2∶3

(5)3∶3∶2

解析　(1)　　　　N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)

起始/mol          a     b        0

转化/mol          3     9        6

t时刻/mol         a－3  b－9     6

则a－3＝13，解得a＝16。

(2)反应达平衡时，混合气体为＝32 mol，其中NH3的物质的量为32 mol×25%＝8 mol。

(3)　   N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　物质的量减少Δn

　      1      3       2            2

转化　  4 mol  12 mol   8 mol        8 mol

气体的减少量与生成氨气的量相等，故原混合气体为32 mol＋8 mol＝40 mol，则原混合气体与平衡混合气体的物质的量之比n(始)∶n(平)＝40 mol∶32 mol＝5∶4。

(4)由(1)知a＝16，则b＝40－16＝24，所以a∶b＝16∶24＝2∶3。

(5)平衡混合气体的组成为N2 12 mol、H2 12 mol、NH3 8 mol，平衡混合气体中，n(N2)∶n(H2)∶n(NH3)＝12 mol∶12 mol∶8 mol＝3∶3∶2。

5．(2020·天津期中联考)一定温度下，在2 L的密闭容器中，X、Y、Z三种气体的物质的量随时间变化的曲线如图所示。下列描述正确的是(　　)

A．t min时该反应达到化学平衡状态

B．反应开始到10 min，用X表示的反应速率为0.079 mol·L－1·min－1

C．反应开始到10 min时，Y的转化率为79%

D．反应的化学方程式为X(g)＋2Y(g)3Z(g)

答案　C

解析　到10 min时该反应达到化学平衡状态，A错误；反应进行到10 min时，X、Y均减少了0.79 mol，Z增加了1.58 mol，用X表示的反应速率为＝0.039 5 mol·L－1·min－1，反应的化学方程式为X(g)＋Y(g)2Z(g)，B、D错误；反应开始到10 min时Y的转化率为×100%＝79%，C正确。

6．为了研究碳酸钙与盐酸反应的反应速率，某同学通过实验测定碳酸钙固体与足量稀盐酸反应生成CO2的体积随时间的变化情况，绘制出如图所示的曲线甲。下列有关说法不正确的是(　　)

A．在O～t1、t1～t2、t2～t3 s中，t1～t2 s生成的CO2气体最多

B．因反应放热，导致O～t1 s内的反应速率逐渐增大

C．若用单位时间内CO2的体积变化来表示该反应的反应速率，则t2～t3 s内的反应速率为mL·s－1

D．将碳酸钙固体研成粉末，则曲线甲将变成曲线乙

答案　D

解析　将碳酸钙固体研成粉末，接触面积增大，反应速率加快，而曲线乙表示生成CO2的速率比曲线甲慢，D错误。

7．(2020·金华一中高一月考)氯酸钾和亚硫酸氢钾溶液能发生氧化还原反应：ClO＋3HSO===3SO＋Cl－＋3H＋。已知该反应的速率随c(H＋)的增大而加快。如图为用ClO在单位时间内物质的量浓度变化表示的该反应v－t图。下列说法不正确的是(　　)

A．图中阴影部分的面积表示t1～t2时间内ClO的物质的量的减少量

B．纵坐标为v(Cl－)的v－t曲线与图中曲线完全重合

C．反应开始时速率增大可能是c(H＋)所致

D．后期反应速率下降的主要原因是反应物浓度减小

答案　A

解析　图像为ClO在单位时间内物质的量浓度变化表示的该反应v－t图，则阴影部分的面积表示t1～t2时间内ClO的物质的量浓度的减少量，故A错误；化学方程式为ClO＋3HSO===3SO＋Cl－＋3H＋，v(ClO)∶v(Cl－)＝1∶1，纵坐标为v(Cl－)的v－t曲线与图中曲线重合，故B正确；由化学方程式：ClO＋3HSO===3SO＋Cl－＋3H＋可知，反应开始时随着反应的进行，c(H＋)不断增大，由题目信息可知反应的速率随c(H＋)的增大而加快，故C正确；随着反应的进行，反应物的浓度减少，反应速率减小，所以后期反应速率下降的主要原因是反应物浓度减小，故D正确。

8．一定条件下铁可以和CO2发生反应：Fe(s)＋CO2(g)FeO(s)＋CO(g)。一定温度下，向某密闭容器中加入足量铁粉并充入一定量的CO2气体，反应过程中CO2气体和CO气体的浓度与时间的关系如图所示。

(1)t1 min时，正、逆反应速率的大小关系为v正______v逆(填“＞”“＜”或“＝”)。

(2)4 min内，CO2的转化率约为________；CO的平均反应速率v(CO)＝______________。

(3)下列条件的改变能减慢其反应速率的是__________(填序号，下同)。

①降低温度

②减少铁粉的质量

③保持压强不变，充入He使容器的体积增大

④保持容积不变，充入He使体系压强增大

(4)下列描述能说明上述反应已达平衡状态的是______。

①v(CO2)＝v(CO)

②单位时间内生成n mol CO2的同时生成n mol CO

③容器中气体的压强不随时间变化而变化

④容器中气体的平均相对分子质量不随时间变化而变化

答案　(1)＞　(2)71.4%　0.125 mol·L－1·min－1　(3)①③　(4)②④

解析　(1)因为t1 min时化学反应没有达到平衡，反应仍然向正反应方向进行，所以正反应速率大于逆反应速率，即v正＞v逆。(2)根据图像分析4 min内CO2的变化量为0.7 mol·L－1－

0.2 mol·L－1＝0.5 mol·L－1，转化率为×100%≈71.4%；CO在4 min内的变化量为0.5 mol·L－1，则4 min内的平均反应速率为v(CO)＝＝0.125 mol·L－1·min－1。(3)降低温度，化学反应速率降低，故①正确；因为铁粉是固体，减少铁粉的质量不影响化学反应速率，故②错误；保持压强不变，充入He使容器的体积增大，相当于减小反应物和生成物的浓度，化学反应速率减慢，故③正确；保持容积不变，充入He使体系压强增大，但不影响反应物和生成物的浓度，所以化学反应速率不变，故④错误。(4)当v正(CO2)＝v逆(CO)时，说明化学反应达到平衡状态，而v(CO2)＝v(CO)不代表正、逆反应速率的关系，不能由此确定化学反应是否达到平衡，故①错误；单位时间内生成n mol CO2的同时生成n mol CO，说明化学反应的正、逆反应速率相等，故②正确；由反应Fe(s)＋CO2(g)FeO(s)＋CO(g)知，该反应是反应前后气体体积相等的反应，压强始终不变，故③错误；因为气体的平均相对分子质量与气体的质量和气体的物质的量有关，该反应气体的物质的量不变，质量变化，当容器中气体的平均相对分子质量不随时间变化而变化时，说明化学反应达到平衡状态，故④正确。