高考化学一轮复习 题型研读 解读4 化学平衡图像图表题题型研读 新人教版.docx
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高考化学一轮复习题型研读解读4化学平衡图像图表题题型研读新人教版
解读4化学平衡图像图表题
考向分析
化学平衡是中学化学重要基础理论之一,是中学化学所涉及的沉淀溶解平衡、电离平衡、等知识的核心,对很多知识的学习起着指导作用。
而化学平衡是高考的热点,也是重点和难点,化学平衡图像问题是高考化学试题中最常见的一种题型,是将化学知识(化学基本概念、化学原理)与数学的函数曲线相结合的一种题型。
图像和图表分析能力是高中化学重点考查的能力之一,从近几年的高考试题看,化学反应速率、化学平衡的图像和图表题属于高频考点,要求学生能够分析图像、图表,结合化学平衡移动原理答题
解题策略
化学反应速率与化学平衡图像是高考常考题型,一般考查速率(浓度)—时间图像、含量(转化率)—时间—温度(压强)图像、恒温线(或恒压线)图像等。
试题讨论自变量x(如时间、温度、压强等)与函数值y(如物质的量、浓度、质量分数、转化率)之间的定量或定性关系,解答化学平衡图像题必须抓住化学程式及图像的特点,析图的关键在于对“数”、“形”、“义”、“性”的综合思考,重点是弄清“四点”(起点、交点、转折点、终点)及各条线段的化学含义,分析曲线的走向,发现图像隐含的条件,找出解题的突破口
解题方法
认清坐标系,搞清纵、横坐标所代表的意义,并与勒夏特列原理挂钩
紧扣可逆反应的特征,看清正反应方向是吸热还是放热、体积增大还是减小、不变、有无固体、纯液体物质参加或生成等
看清速率的变化及变化量的大小,在条件与变化之间搭桥
看清起点、拐点、终点,看清曲线的变化趋势
先拐先平。
例如,在转化率一时间图上,先出现拐点的曲线先达到平衡,此时逆向推理可得该变化的温度高、浓度大、压强高
定一议二。
当图象中有三个量时,先确定一个量不变再讨论另外两个量的关系
解题技巧
抓断点
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,即出现“断点”。
根据“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
抓拐点
同一可逆反应,若反应条件不同,达到平衡所用的时间也可能不同,反映到图像出现“拐点”的时间也就有差异。
根据外界条件对化学反应速率的影响,即可判断出温度的高低、压强或浓度的大小及是否使用催化剂
抓趋势
对于速率-温度(或压强)图像,由于随着温度逐渐升高或压强逐渐增大,反应速率会逐渐增大,因此图像上出现的是平滑的递增曲线
温度或压强的改变对正、逆反应速率的影响是一致的,即要增大都增大,要减小都减小,反映到图像上,就是v(正)、v(逆)两条曲线的走势大致相同
分析外界条件对反应速率的影响时,只能分析达到平衡之后化学反应速率的变化情况
解题步骤
看特点
分析可逆反应化学方程式,观察物质的状态、气态物质分子数的变化(正反应是气体分子数增大的反应,还是气体分子数减小的反应)、反应热(正反应是放热反应,还是吸热反应)等
识图象
识别图象类型,横坐标和纵坐标的含义、线和点(平台、折线、拐点等)的关系。
利用规律“先拐先平,数值大”判断,即曲线先出现拐点,先达到平衡,其温度、压强越大
想原理
联想化学反应速率、化学平衡移动原理,特别是影响因素及使用前提条件等
巧整合
图表与原理整合。
逐项分析图表,重点看图表是否符合可逆反应的特点、化学反应速率和化学平衡原理
【考点过关】
例1
(1)元素铬(Cr)在溶液中主要以Cr3+(蓝紫色)、Cr(OH)4−(绿色)、Cr2O72−(橙红色)、CrO42−(黄色)等形式存在,Cr(OH)3为难溶于水的灰蓝色固体,CrO42−和Cr2O72−在溶液中可相互转化。
室温下,初始浓度为1.0mol
L−1的Na2CrO4溶液中c(Cr2O72−)随c(H+)的变化如图所示。
①用离子方程式表示Na2CrO4溶液中的转化反应____________。
②由图可知,溶液酸性增大,CrO42−的平衡转化率__________(填“增大”“减小”或“不变”)。
根据A点数据,计算出该转化反应的平衡常数为__________。
③升高温度,溶液中CrO42−的平衡转化率减小,则该反应的ΔH______0(填“大于”“小于”或“等于”)。
(2)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pe如图所示。
①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”)。
②反应ClO2−+2SO32−=2SO42−+Cl−的平衡常数K表达式为___________。
(3)纳米铁粉可用于处理地下水中的污染物。
①一定条件下,向FeSO4溶液中滴加碱性NaBH4溶液,溶液中BH4–(B元素的化合价为+3)与Fe2+反应生成纳米铁粉、H2和B(OH)4-,其离子方程式为。
②纳米铁粉与水中NO3-反应的离子方程式为4Fe+NO3–+10H+===4Fe2++NH4++3H2O,研究发现,若pH偏低将会导致NO3-的去除率下降,其原因是。
③相同条件下,纳米铁粉去除不同水样中NO3-的速率有较大差异(见图),产生该差异的可能原因是。
(4)Bodensteins研究了下列反应:
2HI(g)
H2(g)+I2(g)。
在716K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
根据上述实验结果,该反应的平衡常数K的计算式为:
___________。
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=0.0027min-1,在t=40min时,v正=__________min-1
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)
(5)乙苯催化脱氢制苯乙烯反应:
,工业上通常在乙苯蒸气中掺混水蒸气(原料气中乙苯和水蒸气的物质的量之比为1︰9),控制反应温度600℃,并保持体系总压为常压的条件下进行反应。
在不同反应温度下,乙苯的平衡转化率和某催化剂作用下苯乙烯的选择性(指除了H2以外的产物中苯乙烯的物质的量分数)示意图如下:
①掺入水蒸气能提高乙苯的平衡转化率,解释说明该事实___________。
②控制反应温度为600℃的理由是____________。
解析:
(1)①随着H+浓度的增大,CrO42-与溶液中的H+发生反应,反应转化为Cr2O72-的离子反应式为:
2CrO42-+2H+
Cr2O72-+H2O。
②根据化学平衡移动原理,溶液酸性增大,c(H+)增大,化学平衡2CrO42-+2H+
Cr2O72-+H2O向正反应方向进行,导致CrO42−的平衡转化率增大;根据图像可知,在A点时,c(Cr2O72-)=0.25mol/L,由于开始时c(CrO42−)=1.0mol/L,根据Cr元素守恒可知A点的溶液中CrO42-的浓度c(CrO42−)=0.5mol/L;H+浓度为1.0×10-7mol/L;此时该转化反应的平衡常数为
;③由于升高温度,溶液中CrO42−的平衡转化率减小,说明升高温度,化学平衡逆向移动,导致溶液中CrO42−的平衡转化率减小,根据平衡移动原理,升高温度,化学平衡向吸热反应方向移动,逆反应方向是吸热反应,所以该反应的正反应是放热反应,故该反应的ΔH<0。
(2)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pe如图所示。
①由图分析可知,反应温度升高,SO2和NO的平衡分压负对数减小,这说明反应向逆反应方向进行,因此脱硫、脱硝反应的平衡常数均减小。
②根据反应的方程式ClO2−+2SO32−===2SO42−+Cl−可知平衡常数K表达式为
。
(3)①一定条件下,向FeSO4溶液中滴加碱性NaBH4溶液,溶液中BH4–(B元素的化合价为+3)与Fe2+反应生成纳米铁粉、H2和B(OH)4-,根据电子守恒、电荷守恒及原子守恒,可得反应的离子方程式为2Fe2++BH4-+4OH-===2Fe+B(OH)4-+2H2↑;②纳米铁粉与水中NO3-反应的离子方程式为4Fe+NO3-+10H+===4Fe2++NH4++3H2O,若pH偏低,则溶液的酸性增强,会发生反应:
Fe+2H+===Fe2++H2↑;导致NO3-的去除率下降;③根据图像可知,相同条件下,纳米铁粉去除不同水样中NO3-的速率有较大差异,可能是由于Cu或Cu2+催化纳米铁粉去除NO3-的反应(或形成的Fe-Cu原电池增大纳米铁粉去除NO3-的反应速率)。
(4)①问中的反应是比较特殊的,反应前后气体体积相等,不同的起始态很容易达到等效的平衡状态。
716K时,取第一行数据计算:
2HI(g)H2(g)+I2(g)
n(始)(取1mol)100
Δn(0.216)(0.108)(0.108)
n(平)0.784(0.108)(0.108)
化学平衡常数为
。
②问的要点是:
平衡状态下,v正=v逆,故有:
k正·x2(HI)=k逆·x(H2)·x(I2),变形:
k正/k逆={x(H2)·x(I2)}/x2(HI)=K,故有:
k逆=k正/K③问看似很难,其实注意到升温的两个效应(加快化学反应速率、使平衡移动)即可突破:
先看图像右半区的正反应,速率加快,坐标点会上移;平衡(题中已知正反应吸热)向右移动,坐标点会左移。
综前所述,找出A点。
同理可找出E点。
(5)①常压下掺混水蒸气起稀释作用,相当于起减压的效果,而该反应正方向气体分子数增加,减压可使平衡正向移动,乙苯的平衡转化率增大。
②从图像上看出,600℃时,乙苯的转化率和苯乙烯的选择性均较高;温度过低,反应速率慢,转化率低;温度过高,选择性下降。
高温还可能使催化剂失活,且能耗大,综合考虑,应控制温度为600℃。
答案:
(1)①2CrO42-+2H+
Cr2O72-+H2O;②增大;1.0×1014;③小于
(2)①减小;②
(3)①2Fe2++BH4-+4OH-=2Fe+B(OH)4-+2H2↑②纳米铁粉与H+反应生成H2③Cu或Cu2+催化纳米铁粉去除NO3-的反应(或形成的Fe-Cu原电池增大纳米铁粉去除NO3-的反应速率)(4)①
;②k逆=k正/K
;1.95×10-3;③A、E(5)①正反应方向气体分子数增加,加入水蒸气起稀释,相当于起减压的效果②600℃时,乙苯的转化率和苯乙烯的选择性均较高。
温度过低,反应速率慢,转化率低;温度过高,选择性下降。
高温还可能使催化剂失活,且能耗大
例2
(1)乙烯气相直接水合反应C2H4(g)+H2O(g)=C2H5OH(g)的△H=-45.5KJ·mol-1。
下图为气相直接水合法中乙烯的平衡转化率与温度、压强的关系(其中n(H2O)︰n(C2H4)=1︰1)
①列式计算乙烯水合制乙醇反应在图中A点的平衡常数K=(用平衡分压代替平衡浓度计算,分压=总压×物质的量分数)
②图中压强P1、P2、P3、P4的大小顺序为:
,理由是:
。
③气相直接水合法党采用的工艺条件为:
磷酸/硅藻土为催化剂,反应温度290℃,压强6.9MPa,n(H2O)︰n(C2H4)=0.6︰1。
乙烯的转化率为5℅。
若要进一步提高乙烯的转化率,除了可以适当改变反应温度和压强外,还可以采取的措施有:
、。
(2)在容积为1.00L的容器中,通入一定量的N2O4,发生反应N2O4(g)
2NO2(g),随温度升高,混合气体的颜色变深。
①反应的△H0(填“大于”或“小于”);100℃时,体系中各物质浓度随时间变化如上图所示。
在0~60s时段,反应速率v(N2O4)为mol·L-1·s-1;反应的平衡常数K1为。
②100℃时达到平衡后,改变反应温度为T,c(N2O4)以0.0020mol·L-1·s-1的平均速率降低,经10s又达到平衡。
a:
T100℃(填“大于”或“小于”),判断理由是。
b:
列式计算温度T时反应的平衡常数K2。
③温度T时反应达平衡后,将反应容器的容积减少一半,平衡向(填“正反应”或“逆反应”)方向移动,判断理由是。
(3)反应AX3(g)+X2(g)
AX5(g)在容积为10L的密闭容器中进行。
起始时AX3和X2均为0.2mol。
反应在不同条件下进行,反应体系总压强随时间的变化如图所示。
①列式计算实验a从反应开始至达到平衡时的反应速率v(AX5)=。
②图中3组实验从反应开始至达到平衡时的反应速率v(AX5)由大到小的次序为(填实验序号);与实验a相比,其他两组改变的实验条件及判断依据是:
b、c。
③用p0表示开始时总压强,p表示平衡时总压强,α表示AX3的平衡转化率,则α的表达式为;实验a和c的平衡转化率:
αa为、αc为。
(4)①将一定量的CO2(g)和CH4(g)通入一恒容密闭容器中发生反应:
CO2(g)+CH4(g)
2CO(g)+2H2(g)。
其他条件相同,在不同催化剂(Ⅰ、Ⅱ)作用下反应相同时间后,体系中CO含量随反应温度的变化如下图所示。
在a点与b点对应的反应条件下,反应继续进行一段时间后达到平衡,平衡常数Ka (填“>”、“<”或“=”)Kb;c点CO含量高于b点的原因是 。
②为了探究反应CO2(g)+CH4(g)
2CO(g)+2H2(g)的反应速率与浓度的关系,起始时向恒容密闭容器中通入CH4与CO2,使其物质的量浓度均为1.0mol·L-1。
平衡时,根据相关数据绘制出两条反应速率-浓度关系曲线:
v正-c(CH4)和v逆-c(CO)。
则与曲线v正-c(CH4)相对应的是上图中曲线 (填“甲”或“乙”);该反应达到平衡后,某一时刻降低温度,反应重新达到平衡,平衡常数减小,则此时曲线甲对应的平衡点可能为 (填字母,下同),曲线乙对应的平衡点可能为 。
(5)CO2和H2充入一定体积的密闭容器中,在两种温度下发生反应:
CO2(g)+3H2(g)
CH3OH(g)+H2O(g)。
测得CH3OH的物质的量随时间的变化如右图。
①由右图判断该反应ΔH 0,曲线Ⅰ、Ⅱ对应的平衡常数KⅠ KⅡ。
(填“>”、“=”或“<”)
②一定温度下,在容积相同且固定的两个密闭容器中,按如下方式加入反应物,一段时间后达到平衡。
容器
甲
乙
反应物投入量
1molCO2、3molH2
amolCO2、bmolH2、cmolCH3OH(g)、cmolH2O(g)
若甲中平衡后气体的压强为开始的0.8倍,要使平衡后乙与甲中相同组分的体积分数相等,且起始时维持化学反应向逆反应方向进行,则c的取值范围为 。
③一定温度下,此反应在恒容密闭容器中进行,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键断裂的同时有3个C—H键形成
解析:
(1)①乙烯水合制乙醇反应在图中A点的平衡常数K
(MPa)-1;②在相同的温度下由于乙烯是平衡转化率是P1 P1 n(C2H4)比等等。 (2)①根据题意结合反应N2O4(g) 2NO2(g)知,随温度升高,混合气体的颜色变深,则二氧化氮的浓度增大,说明平衡向正反应方向移动;根据温度对化学平衡的影响规律: “当其他条件不变时,升高温度,平衡向吸热反应方向移动”知,该反应正反应方向为吸热反应,△H大于0。 根据题给图像知,0——60s时段,N2O4的物质的量浓度由0.100mol·L—1降低为0.040mol·L—1,物质的量浓度变化为0.060mol·L—1,根据公式v=△c/△t计算,v(N2O4)=0.060mol·L—1/60s=0.001mol·L—1·s—1;分析题给图像知,二氧化氮的平衡浓度为0.120mol·L—1,四氧化二氮的平衡浓度为0.040mol·L—1,结合反应N2O4(g) 2NO2(g)知,K1=[NO2]2/[N2O4]=(0.120mol·L—1)2/0.040mol·L—1=0.36mol·L—1。 ②a: 根据题意知,改变反应温度为T后,c(N2O4)以0.0020mol·L-1·s-1的平均速率降低,即反应N2O4(g) 2NO2(g)平衡向正反应方向移动,又该反应正反应为吸热反应,故改变的条件为升高温度,T大于1000C,答案为: 大于;反应正方向吸热,反应向吸热方向进行,故温度升高;b: 根据题意知,平衡时,c(NO2)=0.120mol·L—1+0.002mol·L—1·s—1×10s×2=0.160mol·L—1,c(N2O4)=0.040mol·L—1—0.002mol·L—1·s—1×10s=0.02mol·L—1,K2=[NO2]2/[N2O4]=(0.160mol·L—1)2/0.020mol·L—1=1.3mol·L—1。 ③根据题意知,反应达平衡后,将反应容器的体积减小一半,即增大压强,根据压强对化学平衡的影响规律: “当其他条件不变时,增大压强,平衡向气体物质系数减小的方向移动”知,反应N2O4(g)2NO2(g)的平衡向逆反应方向移动,答案为: 逆反应对气体分子数增大的反应,增大压强平衡向逆反应方向移动。 (3)开始时no=0.4mol,总压强为160kPa,平衡时总压强为120kPa,则n为: 则(0.20-x)+(0.20-x)+x=0.30,x=0.10, 。 ②从图中观察平衡的时间(tb<tc<ta),判断反应速率的快慢为b>c>a;b组的反应速率加快,但平衡点没有改变说明是加人了催化剂;c组的反应速率加快,但平衡点向逆反应方向移动(或反应容器的容积和起始物质的量未改变,但起始总压强增大)说明是温度升高。 ③用三段式分析得 ,化简得α=2(1- );将图中p0、p的数据代入上述计算式得αa=2(1- )=2(1- )=50%;αc=2(1- )=2(1- )=40%。 (4)①a,b两点温度相同,平衡常数相等。 ②起始时投入CH4和CO2,随着反应的进行,v正(CH4)递减,v逆(CO)递增(从零开始),所以曲线甲表示v逆-c(CO),曲线乙表示v正-c(CH4);温度降低,反应速率减小,新平衡的平衡常数减小,则平衡逆向移动,CH4的浓度变大(B点),CO的浓度变小(E点)。 (5))①从曲线可知Ⅱ的温度高,升高温度,CH3OH的物质的量减少,平衡逆向移动,升高温度向吸热反应方向移动,故正反应是放热反应,ΔH<0;温度升高,平衡逆向移动,K减小,故KⅠ>KⅡ。 ②三段式计算: CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g) 起始量/mol: 1300 转化量/mol: x3xxx 平衡量/mol: 1-x3-3xxx 1-x+3-3x+x+x=4×0.8,则x=0.4mol,即甲容器中平衡后,甲醇的物质的量为0.4mol,要使平衡后乙容器与甲容器中相同组分的体积分数相等,起始时维持化学反应向逆反应方向进行,所以c的最大值是1、最小值是0.4,则c的取值范围为0.4 ③该反应是气体体积减小的反应,压强不变可说明达到平衡状态,故a正确;达到平衡时,各组分的浓度保持不变,故b正确、c错误;该反应反应物和生成物全是气体,反应前后质量不变,反应在恒容容器中进行,气体体积不变,则反应前后气体的密度恒定,故d错误;断裂C O键和形成C—H键均表示正反应,故e错误。 答案: (1)①K=0.07(MPa)-1②P1 n(C2H4)的比 (2)①大于0.0010.36mol·L—1②a: 大于;反应正方向吸热,反应向吸热方向进行,故温度升高b: 平衡时,c(NO2)=0.120mol·L—1+0.002mol·L—1·s—1×10s×2=0.160mol·L—1,c(N2O4)=0.040mol·L—1—0.002mol·L—1·s—1×10s=0.02mol·L—1,K2=(0.160mol·L—1) 2/0.020mol·L—1=1.3mol·L—1③逆反应对气体分子数增大的反应,增大压强平衡向逆反应方向移动(3)① ②bcab、加人催化剂。 反应速率加快,但平衡点没有改变c、温度升高。 反应速率加快,但平衡点向逆反应方向移动(或反应容器的容积和起始物质的量未改变,但起始总压强增大)③α=2(1- )50%40%(4)①= c点与b点反应均未达到平衡,但c点温度高于b点,反应速率更快,相同时间内生成CO的量更多,所以c点CO的含量更高 ②乙 E B(5)①< > ②0.4 【考点演练】 1.用活化后的V2O5作催化剂,氨气将NO还原成N2的一种反应历程如图1所示。 图1 氨气选择性还原NO反应历程图2 气体中含氮组分浓度随温度变化 ①写出总反应的化学方程式: 。 ②测得该反应的平衡常数与温度的关系为lgK=5.08+ 该反应是 (填“吸热”或“放热”)反应。 ③该反应的含氮气体组分随温度变化如图2所示,当温度达到700K时,发生副反应的化学方程式为 。 2.工业上利用CO2生产甲醇燃料,反应为CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g) ΔH=-49.0kJ·mol-1。 将6molCO2和8molH2充入容积为2L的密闭容器中(温度不变),H2的物质的量随时间变化如下图实线所示(图中字母后的数字表示对应坐标)。 ①该反应在08min内CO2的平均反应速率为 。 ②列式计算此温度下该反应的平衡常数: 。 ③第12min后,保持温度不变,向该密闭容器中再充入1molCO2(g)和3molH2O(g),则v正 (填“大于”、“小于”或“等于”)v逆。 ④仅改变某一条件再进行实验,测得H2物质的量变化如上图虚线所示。 与实线相比,曲线Ⅰ改变的条件可能是 ,曲线Ⅱ改变的条件可能是 。 3.SO2经过净化后与空气混合进行催化氧化后制取硫酸或者硫酸铵,其中SO2发生催化氧化的反应为2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g)。 若在T1℃、0.1MPa条件下,往一密闭容器通入SO2和O2[其中n(SO2)∶n(O2)=2∶1],测得容器内总压强与反应时间如右上图所示。 ①该反应的化学平衡常数表达式: K= 。 ②图中A点时,SO2的转化率为 。 ③计算S
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