热点突破四 化学反应速率与化学平衡图像解题方法.docx
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热点突破四化学反应速率与化学平衡图像解题方法
化学反应速率与化学平衡图像解题方法
[突破方法]
1.化学平衡图像题的思维流程
2.解题步骤
3.解题技巧
(1)“定一议二”原则
在化学平衡图像中,了解纵轴、横轴和曲线所表示的三个物理量的意义。
在确定横轴所表示的物理量后,讨论纵轴与曲线的关系,或在确定纵轴所表示的物理量后,讨论横轴与曲线的关系。
如反应2A(g)+B(g)2C(g)达到化学平衡时,A的平衡转化率与压强和温度的关系如图1所示[纵轴为A的平衡转化率(α),横轴为反应温度(T)]。
定压看温度变化,升高温度曲线走势降低,说明A的转化率降低,平衡向逆反应方向移动,正反应是放热反应。
定温看压强变化,因为此反应是反应后气体体积减小的反应,压强增大,平衡向正反应方向移动,A的转化率增大,故p2>p1。
(2)“先拐先平数值大”原则
对于同一化学反应在化学平衡图像中,先出现拐点的反应先达到平衡状态,先出现拐点的曲线表示的温度较高(如图2所示,α表示反应物的转化率)或压强较大[如图3所示,φ(A)表示反应物A的体积分数]。
图2:
T2>T1,正反应放热。
图3:
p1 (3)三看分析法 一看反应速率是增大还是减小;二看v正、v逆的相对大小;三看化学平衡移动的方向。 例1 [2017·河南郑州质检]一定条件下向某密闭容器中加入0.3molA、0.1molC和一定量的B三种气体,图甲表示各物质浓度随时间的变化,图乙表示反应速率随时间的变化,t2、t3、t4、t5时刻后各改变一种条件,且改变条件均不同。 若t4时刻改变条件是压强,则下列说法错误的是( ) A.若t1=15s,则前15s的平均反应速率v(C)=0.004mol·L-1·s-1 B.该反应的化学方程式为3A(g)B(g)+2C(g) C.t2、t3、t5时刻改变的条件分别是升高温度、加入催化剂、增大反应物浓度 D.B的起始物质的量为0.04mol 答案 C 解析 由题图甲可知,15s内c(C)由0.05mol·L-1升高到0.11mol·L-1,则有v(C)= =0.004mol·L-1·s-1,A正确。 由题图甲可知,t1时刻达到平衡状态时,Δc(A)、Δc(C)分别为0.09mol·L-1、0.06mol·L-1,则A、C的化学计量数之比为3∶2;由题图乙可知,t4时刻改变压强,正、逆反应速率同等程度变化,说明反应前后气体总分子数相等,从而推知该反应为3A(g)B(g)+2C(g),B正确。 t2时刻正、逆反应速率均增大,可能是升高温度;t3时刻正、逆反应速率均同等程度增大,可能是加入了催化剂;t5时刻正、逆反应速率均增大,不可能是仅增大反应物浓度引起的,C错误。 起始时加入0.1molC,此时c(C)=0.05mol·L-1,则容器容积为 =2L;由题图甲可知,反应中消耗0.09mol·L-1A,则生成0.03mol·L-1B,故B的起始物质的量为0.05mol·L-1×2L-0.03mol·L-1×2L=0.04mol,D正确。 例2 [2017·山东济宁期末]氮和碳的化合物与人类生产、生活密切相关。 (1)在压强为0.1MPa条件下,将CO和H2的混合气体在催化剂作用下转化为甲醇的反应为CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) ΔH<0。 ①下列有关叙述能说明该反应达到平衡状态的是________(填序号)。 a.混合气体的密度不再变化 b.CO和H2的物质的量之比不再变化 c.v正(H2)=v逆(CH3OH) d.CO在混合气体中的质量分数保持不变 ②T1℃时,在一个容积为5L的恒压容器中充入1molCO、2molH2,经过5min达到平衡,CO的转化率为0.75,则T1℃时,CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)的平衡常数K=________。 ③T1℃时,在容积为5L的恒容容器中充入一定量的H2和CO,反应达到平衡时CH3OH的体积分数与 的关系如图甲所示。 温度不变,当 =2.5时,达到平衡状态,CH3OH的体积分数可能是图像中的________点。 (2)用催化转化装置净化汽车尾气,装置中涉及的反应之一为2NO(g)+2CO(g)N2(g)+2CO2(g)。 ①探究上述反应中NO的平衡转化率与压强、温度的关系,得到如图乙所示的曲线。 催化装置比较适合的温度和压强是________。 ②测试某型号汽车在冷启动(冷启动指发动机水温低的情况下启动)时催化装置内CO和NO百分含量随时间变化曲线如图丙所示。 则前10s内,CO和NO百分含量无明显变化的原因是__________________________________。 答案 (1)①ad ②75 ③F (2)①400K、1MPa ②尚未达到催化剂工作温度(或尚未达到反应所需的温度) 解析 (1)①恒压条件下进行反应CO(g)+2H2(g)CH3OH(g),容器的容积不断变化,混合气体的总质量不变,则气体的密度不断变化,若混合气体的密度不再变化,则达到平衡状态,a正确;若按物质的量之比为1∶2投入CO和H2的话,二者的物质的量之比一直不变,b错误;达到平衡时,v正(H2)=2v逆(CH3OH),c错误;CO在混合气体中的质量分数保持不变,则n(CO)保持不变,该反应达到平衡状态,d正确。 ②T1℃时,恒压容器中进行反应,经过5min达到平衡,CO的转化率为0.75,则平衡时混合气体的总物质的量为1.5mol;根据恒温恒压时,气体的体积之比等于其物质的量之比,此时容器的容积为 =2.5L,则平衡时CO(g)、H2(g)、CH3OH(g)的浓度分别为0.1mol·L-1、0.2mol·L-1、0.3mol·L-1,故T1℃时,该反应的平衡常数K= = =75。 ③T1℃时,图甲中C点 =2, 由2变为2.5,相当于增加H2的量,平衡正向移动,根据勒夏特列原理分析可知,n(CH3OH)增加量小于n总(气体)的增加量,则CH3OH的体积分数减小,故图中F点符合要求。 (2)①由图乙可知,在压强一定时,温度越低,NO的平衡转化率越高,故应选用400K下进行反应;在400K时,增大压强,NO的平衡转化率变化不大,故可选用较低压强下进行反应,降低对设备的要求,可选用压强为1MPa的条件。 ②汽车在冷启动时,发动机水温低,催化装置中催化剂未达到其理想的工作温度,反应2NO(g)+2CO(g)N2(g)+2CO2(g)进行的程度较小,故CO和NO百分含量无明显变化。 1.对于可逆反应A(g)+2B(g)2C(g) ΔH>0,下列图像中,正确的是( ) 答案 A 解析 该反应的正反应为吸热反应,升高温度,平衡正向移动,A%减小,A正确;该反应的正反应为吸热反应,升高温度,v(正)、v(逆)均增大,平衡正向移动,则v(正)>v(逆),B错误;升高温度,反应速率加快,达到平衡的时间缩短,C错误;平衡后,增大压强,v(正)、v(逆)均增大,平衡正向移动,则v(正)>v(逆),D错误。 2.下列叙述与图像相对应的是( ) A.图 (1)是N2(g)+3H2(g)2NH3(g)的化学平衡图像,在t0时刻充入一定量的NH3,平衡逆向移动 B.图 (2)中p2>p1,T1>T2 C.图(3)表示的化学方程式为2A===B+3C D.图(4)对应反应2X(g)+3Y(g)2Z(g) ΔH<0,y可以表示Y的百分含量 答案 B 解析 在t0时刻充入一定量的NH3,v′(正)应与平衡点相连,A项错误;由先拐先平知p2>p1,T1>T2,B项正确;图(3)表示的是可逆反应,C项错误;温度升高,平衡逆向移动,Y的百分含量将增大,D项错误。 化学反应速率与化学平衡图像解题方法 专题训练 1.对于可逆反应2A(g)+B(g)2C(g) ΔH<0,下列图像表示正确的是( ) 答案 C 解析 使用催化剂不会影响平衡,只能缩短达到平衡的时间,A项错误;温度升高,平衡逆向移动,A的转化率会降低,B项错误;温度越高,化学反应速率越快,达到平衡所用时间最短升高温度,平衡逆向移动,C的体积分数降低,C项正确;平衡常数只与温度有关,D项错误。 2.在恒容密闭容器中通入X并发生反应: 2X(g)Y(g),温度T1、T2下X的物质的量浓度c(X)随时间t变化的曲线如图所示,下列叙述正确的是( ) A.该反应进行到M点放出的热量大于进行到W点放出的热量 B.T2下,在0~t1时间内,v(Y)= mol·L-1·min-1 C.M点的正反应速率v正大于N点的逆反应速率v逆 D.M点时再加入一定量X,平衡后X的转化率减小 答案 C 解析 依据题中图示,可看出T1>T2,由于T1时X的平衡浓度大,可推出该反应为放热反应。 A项,M点与W点比较,X的转化量前者小于后者,故进行到M点放出的热量应小于进行到W点放出的热量,A项错误;B项,2v(Y)=v(X)= mol·L-1·min-1,B项错误;C项,T1>T2且M点的Y的浓度大于N点的,故M点v逆大于N点v逆,而M点v正=v逆,所以M点v正大于N点v逆,C项正确;D项,恒容时充入X,压强增大,平衡正向移动,X的转化率增大,D项错误。 3.[2017·安徽合肥教学质量检测]在密闭容器中进行反应: X(g)+2Y(g)2Z(g) ΔH>0。 下图能正确表示该反应有关物理量变化规律的是( ) 答案 C 解析 正反应吸热,升高温度平衡向正反应方向移动,正反应速率大于逆反应速率,A错误;正反应吸热,升高温度平衡向正反应方向移动,Z的含量升高,B错误;升高温度或增大压强,平衡均向正反应方向进行,X的转化率升高,C正确;平衡常数只与温度有关,温度不变,平衡常数为定值,D错误。 4.[2017·惠州调研]在2L密闭容器中进行反应C(s)+H2O(g)CO(g)+H2(g) ΔH>0,测得c(H2O)随反应时间(t)的变化如图所示。 下列判断正确的是( ) A.0~5min内,v(H2)=0.05mol·L-1·min-1 B.5min时该反应的K值一定小于12min时的K值 C.10min时,改变的外界条件可能是减小压强 D.5min时该反应的v(正)大于11min时的v(逆) 答案 B 解析 由题图可知,0~5min内Δc(H2O)=0.50mol·L-1,则有v(H2O)= =0.10mol·L-1·min-1,v(H2)=v(H2O)=0.10mol·L-1·min-1,A错误;10min时改变反应条件,c(H2O)逐渐减小至0.25mol·L-1,说明反应正向移动,且反应速率加快,应由升高温度引起,则有K(5min) 5.温度为T0时,在容积固定的密闭容器中发生反应: X(g)+Y(g)Z(g)(未配平),4min时达到平衡,各物质浓度随时间变化的关系如图甲所示。 其他条件相同,温度分别为T1、T2时发生反应,Z的浓度随时间变化的关系如图乙所示。 下列叙述正确的是( ) A.发生反应时,各物质的反应速率大小关系为v(X)=v(Y)=2v(Z) B.图甲中反应达到平衡时,Y的转化率为37.5% C.T0时,该反应的平衡常数为33.3 D.该反应正反应的反应热ΔH<0 答案 C 解析 由图甲可知,平衡时,X、Y、Z的物质的量浓度变化量分别为0.25mol/L、0.25mol/L、0.5mol/L,化学计量数之比等于反应物、生成物的物质的量变化量之比,故反应为X(g)+Y(g)2Z(g);由图乙可知,温度为T1时先达到平衡,所以T1>T2,温度越高,平衡时Z的物质的量浓度越大,说明升高温度平衡向正反应方向移动,升高温度平衡向吸热方向移动,故正反应为吸热反应。 A项,由上述分析可知,反应为X(g)+Y(g)2Z(g),速率之比等于各物质的化学计量数之比,所以反应时各物质的反应速率大小关系为2v(X)=2v(Y)=v(Z),错误;B项,由图甲可知,Y的起始浓度为0.4mol/L,平衡时Y的物质的量浓度为0.15mol/L,Y的浓度变化了0.25mol/L,故平衡时Y的转化率为 ×100%=62.5%,错误;C项,由图甲可知,平衡时,X、Y、Z的物质的量浓度分别为0.05mol/L、0.15mol/L、0.5mol/L,K= = =33.3,正确;D项,由上述分析可知,该反应正反应为吸热反应,故ΔH>0,错误。 6.[2017·天津河北区质检]I2在KI溶液中存在下列平衡: I2(aq)+I-(aq)I (aq),某I2、KI混合溶液中,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.温度为T1时,向该平衡体系中加入KI固体,平衡正向移动 B.反应I2(aq)+I-(aq)I (aq)的ΔH<0 C.若T1时,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b时I2的转化率更高 答案 D 解析 温度为T1时,加入KI固体,碘离子浓度增大,平衡向正反应方向移动,故A正确;由图像中曲线的变化趋势可知,当温度升高时,I 的物质的量浓度减小,说明升温平衡向逆反应方向移动,该反应的正反应为放热反应,反应I2(aq)+I-(aq)I (aq)的ΔH<0,故B正确;反应进行到状态d时,反应未达到平衡状态,反应趋向于平衡,则反应向生成I 的方向移动,则v正>v逆,故C正确;状态b相当于在状态a的基础上升高温度,该反应的正反应为放热反应,升高温度,平衡向逆反应方向移动,状态b时I2的转化率更低,故D错误。 7.工业上用下列反应合成甲醇: CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)。 在固定容积为2L的密闭容器中,由CO2和H2合成甲醇,在其他条件不变的情况下,研究温度对反应的影响,实验结果如图所示(注: T1、T2均大于300℃)。 下列说法正确的是( ) A.温度为T1时,从反应开始到平衡,生成甲醇的平均速率为v(CH3OH)= mol·L-1·min-1 B.该反应在温度为T1时的平衡常数比温度为T2时的小 C.该反应的正反应为放热反应 D.处于A点的反应体系从T1变到T2,达到平衡时 减小 答案 C 解析 由图像可知在温度为T2时反应先达到平衡,因此温度T2>T1,温度高反应达平衡时甲醇的物质的量反而低,说明正反应是放热反应,升高温度平衡常数减小,故B项错误,C项正确;温度为T1时,从反应开始到达到平衡,生成甲醇的物质的量为n1mol,此时甲醇的浓度为 mol·L-1,所以生成甲醇的平均速率为v(CH3OH)= mol·L-1·min-1,A项错误;因为温度T2>T1,所以A点的反应体系从T1变到T2时,平衡会向逆反应方向移动,即生成物浓度减小而反应物浓度增大, 增大,所以D项错误。 8.对于密闭容器中的可逆反应A2(g)+3B2(g)2AB3(g),探究单一条件改变情况下,可能引起平衡状态的改变,得到如图所示的曲线(图中T表示温度,n表示物质的量)。 下列判断正确的是( ) A.加入催化剂可以使状态d变为状态b B.若T1>T2,则逆反应一定是放热反应 C.达到平衡时,A2的转化率大小为b>a>c D.在T2和n(A2)不变时达到平衡,AB3的物质的量的大小为c>b>a 答案 D 解析 加入催化剂只改变反应速率,不能使平衡发生移动,故加入催化剂不能使状态d变为状态b,A错误。 若T1>T2,由题图可知,温度升高,n(B2)不变时,平衡时AB3的体积分数减小,说明升高温度,平衡逆向移动,则逆反应是吸热反应,B错误。 图中横坐标为n起始(B2),增大一种反应物的量会提高另一种反应物的转化率,则n起始(B2)越大,平衡时A2的转化率越大,即达到平衡时A2的转化率大小为c>b>a,C错误。 其他条件相同时,n起始(B2)越大,平衡时A2的转化率越大,则平衡时AB3的物质的量越大,故平衡时AB3的物质的量的大小为c>b>a,D正确。 9. (1)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下图。 ①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,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。 若甲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________。 (2)利用光能和光催化剂,可将CO2和H2O(g)转化为CH4和O2。 紫外光照射时,在不同催化剂(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)作用下,CH4产量随光照时间的变化如下图。 在0~15小时内,CH4的平均生成速率Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ从大到小的顺序为________(填序号)。 答案 (1)①> ②0.4 (2)Ⅱ>Ⅲ>Ⅰ 解析 (1)①分析图像知KⅠ>KⅡ。 ②CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) 初始量/mol 1 3 0 0 转化量/mol x 3x x x 平衡量/mol1-x3-3x x x 4-2x=4×0.8,得x=0.4 根据题意可得,甲乙为等效平衡,且起始时维持反应逆向进行。 所以若全部由生成物投料时,c=1mol,同时c要大于平衡时的量,故有0.4 (2)由图可知,相同时间内CH4的产率越高,其平均生成速率越大,0~15小时内,CH4的平均生成速率Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ从大到小的顺序为Ⅱ>Ⅲ>Ⅰ。
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