高考微专题速率及平衡图像.docx
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高考微专题速率及平衡图像
高考微专题速率及平衡图像
知识梳理
化学反应速率的变化、化学平衡的移动都与反应物的温度、浓度、气体反应物的压强等因素有关,化学平衡的移动又与反应速率的变化之间有着密不可分的关系,所有这些都可以用一定形式的图像来表达。
旨在考查学生对化学反应速率与化学平衡中的基本概念、基本理论的掌握程度以及分析、推理、自学和创新能力。
化学反应速率与化学平衡的图像都是以此为依据来设计的。
因此解决化学反应速率与平衡图像问题的基本方法可以从以下方面进行综合分析:
一是借助于化学方程式掌握化学反应的特征;
二是掌握该化学反应的速率变化与平衡移动的规律;
三是掌握图中符号的含义,图中符号项目主要包括纵坐标、横坐标和图像,对图像要弄清楚其起点、拐点、交点、终点和走向(即“四点一向”)的含义。
一、常见化学反应速率和化学平衡图像类型
1.速率——时间图
此类图像定性揭示了v正、v逆随时间(含条件改变对速率的影响)变化的规律,体现了平衡的“动、等、定、变”的基本特征,以及平衡移动的方向等。
以反应mA(g)+nB(g)
pC(g)+qD(g) ΔH>0,且m+n>p+q为例,各类条件改变图像如下:
2.浓度——时间图
此类图像能说明平衡体系组分(或某一成分)在反应过程中的变化情况。
仍以上述反应为例,图像如下:
此类图像要注意各曲线的折点(达平衡)时刻相同,各物质浓度变化的比例符合化学方程式中的化学计量数关系。
3.速率—压强(或温度)图像
曲线的意义是外界条件(如温度、压强等)对正、逆反应速率影响的变化趋势及变化幅度。
如图中交点A是平衡状态,压强增大,正反应速率增大得快,平衡正向移动。
4.转化率(或百分含量)—时间—温度(或压强)图像
已知不同温度或压强下,反应物的转化率α(或百分含量)与时间的关系曲线,推断温度的高低及反应的热效应或压强的大小及气体物质间的化学计量数的关系。
[以aA(g)+bB(g)
cC(g)中反应物的转化率αA为例说明]
正确掌握图像中反应规律的判断方法
①图甲中,T2>T1,升高温度,αA降低,平衡逆向移动,正反应为放热反应。
②图乙中,p1>p2,增大压强,αA升高,平衡正向移动,则正反应为气体体积缩小的反应。
③图丙中,a表示使用了催化剂或增大压强(气体分子数反应前后相等的可逆反应)。
注:
若纵坐标表示A的百分含量,则甲中正反应为吸热反应,乙中正反应为气体体积增大的反应。
5.含量——时间——温度(压强)图
常见的形式有如下图所示的几种(C%指某生成物百分含量,B%指某反应物百分含量),这种图像的折点表示达到平衡的时间,曲线的斜率反映了反应速率的大小,可以确定T(p)的高低(大小),水平线高低对应平衡移动方向。
6.全程速率——时间图
如Zn与足量盐酸的反应,反应速率随时间的变化出现的情况,如右图所示,解释原因:
AB段(v渐增),因反应为放热反应,随反应的进行,温度渐增,导致反应速率的渐增;BC增(v渐小),则主要因为随反应的进行,溶液中c(H+)渐小,导致反应速率的渐小。
故分析时要抓住各阶段的主要矛盾,认真分析。
7.恒压(温)线
该类图的纵坐标为物质的平衡浓度(c)或反应物的转化率(α),横坐标为温度(T)或压强(p),常见类型有(如下图所示):
8.其他类型
如下图所示曲线,是其他条件不变时,某反应物的最大转化率(α)与温度(T)的关系曲线,图中标出的1、2、3、4四个点,表示v(正)>v(逆)的点是3,表示v(正)<v(逆)的点是1,而2、4点表示
v(正)=v(逆)。
⑴对于化学反应mA(g)+nB(g)
pC(g)+qD(g),M点前,表示化学反应从反应物开始,则v正>v逆;M点为刚达到的平衡点。
M点后为平衡受温度的影响情况,即升温,A%增大(C%减小),平衡逆向移动,ΔH<0。
⑵对于化学反应mA(g)+nB(g)
pC(g)+qD(g),L线上所有的点都平衡点。
左上方(E点),A%大于此压强时平衡体系中的A%,E点必须向正反应方向移动才能达到平衡状态,所以,E点v正>v逆;则右下方(F点)v正<v逆。
二、解答化学反应速率、化学平衡图像题的一般原则方法
(1)看图像:
一看轴,即纵、横坐标的意义;二看点:
即起点、拐点、交点、终点;三看线,即线的走向和变化趋势;四看辅助线,即等温线、等压线、平衡线等;五看量的变化,如浓度变化、温度变化、转化率变化、物质的量的变化等。
(2)依据图像信息,利用平衡移动原理,分析可逆反应的特征:
吸热还是放热,气体的化学计量数增大、减小还是不变,有无固体或纯液体参加或生成等。
(3)先拐先平数据大:
在化学平衡图像中,先出现拐点的反应先达到平衡,可能是该反应的温度高、浓度大、压强大或使用了催化剂。
(4)“定一议二”:
在化学平衡图像曲线中,有三个变量,先确定一个量不变,再讨论另外两个量的关系(因为化学平衡移动原理只适用于外界“单因素”的改变,导致的平衡移动的分析),即确定横坐标所示的量后,讨论纵坐标与曲线的关系或确定纵坐标所示的量后(通常作一条横坐标的垂线),讨论横坐标与曲线的关系
注意:
化学平衡图像问题和其他各种化学平衡移动问题都是应用化学平衡移动原理解决①反应特点,②反应条件,③平衡移动引起的某种物理量变化问题之一,称“三位一体”。
三、突破化学反应速率、化学平衡图像题的“三种”手段
1.从“断点”着手
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。
[例1] 在容积不变的密闭容器中进行反应:
2SO2(g)+O2(g)
2SO3(g) ΔH<0。
下列各图表示当其他条件不变时,改变某一条件对上述反应的影响,其中分析正确的是( )
A.图Ⅰ表示温度对化学平衡的影响,且甲的温度较高
B.图Ⅱ表示t0时刻使用催化剂对反应速率的影响
C.图Ⅲ表示t0时刻增大O2的浓度对反应速率的影响
D.图Ⅳ中a、b、c三点中只有b点已经达到化学平衡状态
[解析] A项,根据先拐先平知,乙的温度高,升高温度,SO2的含量降低,正反应是吸热反应,与题反应相矛盾,A项错误;B项使用催化剂,v正、v逆同时增大,且倍数相同,断点应在原平衡反应速率之上,B项正确;C项增大O2浓度,正反应速率会突然增大且图像上“断点”应在原平衡速率之上,但逆反应速率应在原来的基础上逐渐增大,C项错误;D项,a、b、c三点都是在不同温度下的平衡线上,错误。
[答案] B
2.从“拐点”入手
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。
[例2] 密闭容器中进行的可逆反应:
aA(g)+bB(g)
cC(g)在不同温度(T1和T2)及压强(p1和p2)下,混合气体中B的质量分数w(B)与反应时间(t)的关系如图所示。
下列判断正确的是( )
A.T1 C.T1 [解析] 解答该题要综合运用“定一议二”和“先拐先平”。 由(T1,p1)和(T1,p2)两条曲线可以看出: ①温度(T1)相同,但压强为p2时先出现“拐点”,达到平衡所需的时间短,即反应速率大,所以p2>p1;②压强较大(即压强为p2)时对应的w(B)较大,说明增大压强平衡逆向移动,则a+b 由(T1,p2)和(T2,p2)两条曲线可以看出: ①压强(p2)相同,但温度为T1时先出现“拐点”,达到平衡所需的时间短,即反应速率大,所以T1>T2;②温度较高(即温度为T1)时对应的w(B)较小,说明升高温度平衡正向移动,故正反应为吸热反应。 [答案] B 3.从曲线的变化趋势着手 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。 根据温度或压强对化学反应速率的影响,可以判断速率曲线的变化趋势。 需要注意的是: (1)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; (2)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。 [例3]下列各图是温度(或压强)对反应: 2A(s)+2B(g) 2C(g)+D(g)(正反应为吸热反应)的正、逆反应速率的影响,曲线交点表示建立平衡时的温度或压强,其中正确的是( ) [解析] 无论是升高温度还是增大压强,v(正)、v(逆)均应增大。 B项中v(逆)减小,D项中v(正)和v(逆)均减小,故B、D项均错误;该反应的正反应是一个气体分子数增大的吸热反应,升高温度,平衡向正反应方向移动,则v(正)>v(逆),A项错误;增加压强,平衡向逆反应方向移动,则v(逆)>v(正),C项正确。 [答案] C [例4]已知NO2和N2O4可以相互转化: 2NO2(g) N2O4(g)(正反应为放热反应)。 现将一定量NO2和N2O4的混合气体通入一体积为1L的恒温密闭容器中,反应物浓度随时间变化关系如图所示,回答下列问题: (1)图中共有两条曲线X和Y,其中曲线______表示NO2浓度随时间的变化;a、b、c、d四个点中,表示化学反应处于平衡状态的点是____。 (2)前10min内用NO2表示的化学反应速率v(NO2)=____mol·L-1·min-1;反应进行至25min时,曲线发生变化的原因是____。 (3)若要达到与最后相同的化学平衡状态,在25min时还可以采取的措施是___。 A.加入催化剂 B.缩小容器体积C.升高温度 D.加入一定量的N2O4 答案 (1)X bd (2)0.04 加入了0.4molNO2(或加入了NO2) (3)BD 解析 (1)曲线X在0~10min达到平衡时浓度变化了0.4mol·L-1,而曲线Y在0~10min达到平衡时变化了0.2mol·L-1,所以可得X曲线为NO2的浓度变化曲线;达到平衡时浓度不再随时间而发生变化,所以b、d点均表示反应已达到平衡状态。 (2)NO2在0~10min达到平衡时浓度变化了0.4mol·L-1,所以用NO2表示的反应速率为0.04mol·L-1·min-1;而在25min时,NO2的浓度由0.6mol·L-1突变为1.0mol·L-1,而N2O4的浓度在25min时没有发生改变,所以可得此时改变的条件是向容器中加入了0.4molNO2。 (3)加入NO2后平衡正向移动,所以若要达到与最后相同的化学平衡状态,还可通过增大压强(缩小容器体积),使平衡也同样正向移动;或者采取降低温度的方法,使平衡正向移动;也可以向容器中充入一定量N2O4,因为这样相当于增大容器中气体的压强,使得NO2的转化率提高,即达到与最后的平衡相同的平衡状态。 [例5]有一化学平衡mA(g)+nB(g) pC(g)+qD(g),如图表示的是A的转化率与压强、温度的关系。 下列叙述正确的是( ) A.正反应是放热反应;m+n>p+q B.正反应是吸热反应;m+n C.正反应是放热反应;m+n D.正反应是吸热反应;m+n>p+q 答案 D 解析 图像中有三个量,应定一个量来分别讨论另外两个量之间的关系。 定压强,讨论T与A的转化率的关系: 同一压强下,温度越高,A的转化率越高,说明正反应是吸热反应;定温度,讨论压强与A的转化率的关系: 同一温度下,压强越大,A的转化率越高,说明正反应是体积缩小的反应,即m+n>p+q。 [例6]下面是某化学研究小组探究外界条件对化学反应速率和化学平衡影响的图像,其中图像和实验结论表达均正确的是( ) A.①是其他条件一定时,反应速率随温度变化的图像,正反应ΔH<0 B.②是在平衡体系的溶液中溶入少量KCl晶体后化学反应速率随时间变化的图像 C.③是在有无催化剂存在下建立的平衡过程图像,a是使用催化剂时的曲线 D.④是一定条件下,向含有一定量A的容器中逐渐加入B时的图像,压强p1>p2 答案 C 解析 根据图像①,升高温度,平衡正向移动,正反应ΔH>0,A错;②反应实质是Fe3++3SCN-⇌Fe(SCN)3,K+和Cl-不参加化学反应,KCl浓度增大不影响化学平衡,B错;③使用催化剂,反应速率加快,先达到平衡,C正确;④此反应为反应前后气体物质的量不变的化学反应,改变压强不影响平衡状态,即不影响A的转化率,且由于不断加入B,A的转化率增大,D错。 [例7]某密闭容器中充入等物质的量的A和B,一定温度下发生反应A(g)+xB(g) 2C(g),达到平衡后,在不同的时间段,分别改变影响反应的一个条件,测得容器中物质的物质的量浓度、反应速率分别随时间的变化如下图所示: 下列说法中正确的是( ) A.30~40min间该反应使用了催化剂B.反应方程式中的x=1,正反应为吸热反应 C.30min时降低温度,40min时升高温度D.8min前A的反应速率为0.08mol·L-1·min-1 答案 D 解析 A项,若使用催化剂,则化学反应速率加快,A不正确;由物质的量浓度—时间图像可知,A、B的浓度变化相同,故A、B的计量数相同,都为1,由反应速率—时间图像可知,30min时改变的条件为降压,40min时改变的条件为升温,且升高温度平衡向逆反应方向移动,则正反应为放热反应;8min前A的反应速率为(2.0mol·L-1-1.36mol·L-1)/8min=0.08mol·L-1·min-1。 [例8]将I2溶于KI溶液中,能配制成浓度较大的碘水,主要是发生了反应: I2(aq)+I-(aq)⇌I3-(aq)。 该平衡体系中,I3-的物质的量浓度与温度(T)的关系如图所示(曲线上的任何一点都代表平衡状态)。 下列说法正确的是( ) A.反应速率: vM>vP B.平衡常数: KN C.M、N两点相比,M点的c(I-)大 D.Q点时,v正>v逆 答案 D 解析 A中,温度越高,反应速率越大,vM KN>KP;C中,M、N两点相比,M点温度低于N点温度,升温,平衡左移,所以M点的c(I-)小。 [例9]在容积相同的密闭容器内,分别充入同量的N2和H2,在不同温度下,任其发生反应: N2(g)+3H2(g)⇌2NH3(g),并分别在t秒时测定其中NH3的体积分数,绘图如下: (1)A、B、C、D、E五点中,尚未达到化学平衡状态的点是____。 (2)此可逆反应的正反应是____反应(填“放热”或“吸热”)。 (3)AC段的曲线是增函数,CE段曲线是减函数,试从反应速率和平衡角度说明理由: ____。 答案 (1)AB (2)放热 (3)AC段: 反应开始v正>v逆,反应向右进行生成NH3;CE段: 已达平衡,升温使平衡左移,NH3的体积分数变小 题组强化训练 题型一 速率、浓度、含量与时间图像 1.近年来,我国北京等地出现严重雾霾天气,据研究,雾霾的形成与汽车排放的CO、NO2等有毒气体有关。 对汽车加装尾气净化装置,可使有毒气体相互反应转化为无毒气体,反应的化学方程式为4CO(g)+2NO2(g)⇌4CO2(g)+N2(g) ΔH=-1200kJ·mol-1。 对于该反应,温度不同(T2>T1)、其他条件相同时,下列图像正确的是( ) 2.一定条件下,等物质的量的N2(g)和O2(g)在恒容密闭容器中发生反应: N2(g)+O2(g)⇌2NO(g)。 如图中曲线a表示该反应在温度T下N2的浓度随时间的变化,曲线b表示该反应在某一起始反应条件改变时N2的浓度随时间的变化(不改变反应物的量)。 下列叙述正确的是( ) A.曲线a和曲线b表示该反应可能在相同温度下进行 B.曲线b对应的起始反应条件改变是加入了催化剂 C.温度T下,该反应平衡前后混合气体的密度不发生变化 D.温度T下,该反应的平衡常数 3.可逆反应aA(g)+bB(g)=c(g)+dD(g),反应过程中,当其他条件不变时,C的百分含量与温度(T)和压强(p)的关系如图。 下列叙述正确的是( ) A.达平衡后,若升温,平衡左移 B.达平衡后,加入催化剂,则C的百分含量增大 C.化学方程式中a+b>c+d D.达平衡后,减小A的量有利于平衡向右移动 题型二 转化率、含量与温度(压强)图像 4.科学家研究以太阳能为热源分解Fe3O4,最终循环分解水制H2,其中一步重要反应为2Fe3O4(s) 6FeO(s)+O2(g) ΔH=akJ·mol-1。 在一定压强下,Fe3O4的平衡转化率随温度变化的α(Fe3O4)-T曲线如图所示。 下列有关说法不正确的是( ) A.a>0B.压强: p1>p2 C.升高温度,该反应的平衡常数增大D.将体系中O2分离出去,能提高Fe3O4的转化率 5.一定条件下合成乙烯: 6H2(g)+2CO2(g)==CH2==CH2(g)+4H2O(g),已知温度对CO2的平衡转化率和催化剂催化效率的影响如图: 下列说法正确的是( ) A.生成乙烯的速率: vM一定小于vN B.化学平衡常数: KN>KM C.当温度高于250℃时,升高温度,平衡向逆反应方向移动,从而使催化剂的催化效率降低 D.若投料比n(H2)∶n(CO2)=3∶1,则图中M点时,乙烯的体积分数为7.7% 6.已知合成氨反应N2(g)+3H2(g)=2NH3(g) ΔH<0,当反应器中按n(N2)∶n(H2)=1∶3投料后,在不同温度下,反应达到平衡时,得到混合物中NH3的物质的量分数随压强的变化曲线a、b、c如下图所示。 下列说法正确的是( ) A.曲线a对应的反应温度最高 B.上图中M、N、Q点平衡常数K的大小关系为K(M)=K(Q)<K(N) C.相同压强下,投料相同,达到平衡所需时间的关系为c>b>a D.N点时c(NH3)=0.2mol·L-1,则N点的c(N2)∶c(NH3)=1∶1 7.甲醇脱氢可制取甲醛: CH3OH(g)=HCHO(g)+H2(g) ΔH=Q,甲醇的平衡转化率随温度变化曲线如图所示。 下列有关说法正确的是( ) A.Q<0B.600K时,Y点甲醇的v正<v逆 C.从Y点到Z点可通过增大压强实现D.从Y点到X点可通过使用催化剂实现 题型三 等温线(等压线)与转化率(含量)图像 8.某化学小组研究在其他条件不变时,改变密闭容器中某一条件对A2(g)+3B2(g)=2AB3(g) 化学平衡状态的影响,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.在T2和n(A2)不变时达到平衡,AB3的物质的量大小为c>a>b B.若T2>T1,则正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.若T2>T1,达到平衡时b、d点的反应速率为vd 9.已知(HF)2(g)=2HF(g) ΔH>0,且平衡体系的总质量(m总)与总物质的量(n总)之比在不同温度下随压强的变化曲线如图所示。 下列说法正确的是( ) A.温度: T1<T2B.平衡常数: K(a)=K(b)<K(c) C.反应速率: vb>vaD.当 =30g·mol-1时,n(HF)∶n[(HF)2]=2∶1 10.在恒压、NO和O2的起始浓度一定的条件下,催化反应相同时间,测得不同温度下NO转化为NO2的转化率如图中实线所示(图中虚线表示相同条件下NO的平衡转化率随温度的变化)。 下列说法正确的是() A.反应2NO(g)+O2(g)=2NO2(g)的ΔH>0 B.图中X点所示条件下,延长反应时间能提高NO转化率 C.图中Y点所示条件下,增加O2的浓度不能提高NO转化率 D.380℃下,c起始(O2)=5.0×10−4mol·L−1,NO平衡转化率为50%,则平衡常数K>2000 11. (1)2SO2(g)+O2(g)=2SO3(g) ΔH=-198kJ·mol-1是制备硫酸的重要反应。 在容积为VL的密闭容器中起始充入2molSO2和1molO2,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。 与曲线a相比,曲线b改变的条件是__________,判断的依据为: ________________________________________________________________________。 (2)一定条件下一氧化碳和氢气可合成清洁能源甲醇,其化学方程式为 CO(g)+2H2(g) CH3OH(g) ΔH=Q。 该可逆反应的平衡常数表达式为________,分析下图可知,A、B、C三点平衡常数KA、KB、KC的大小关系是_______,压强: p1_______(填“>”“<”或“=”)p2,在T1和p2条件下,由D点到B点过程中正、逆反应速率之间的关系: v正______(填“>”“<”或“=”)v逆。 12.近年来,随着聚酯工业的快速发展,氯气的需求量和氯化氢的产出量也随之迅速增长。 因此,将氯化氢转化为氯气的技术成为科学研究的热点。 回答下列问题: (1)Deacon发明的直接氧化法为: 4HCl(g)+O2(g) 2Cl2(g)+2H2O(g)。 下图为刚性容器中,进料浓度比c(HCl)∶c(O2)分别等于1∶1、4∶1、7∶1时HCl平衡转化率随温度变化的关系: 可知反应平衡常数K(300℃)____________K(400℃)(填“大于”或“小于”)。 设HCl初始浓度为c0,根据进料浓度比c(HCl)∶c(O2)=1∶1的数据计算K(400℃)=____________(列出计算式)。 按化学计量比进料可以保持反应物高转化率,同时降低产物分离的能耗。 进料浓度比c(HCl)∶c(O2)过低、过高的不利影响分别是____________。 (2)Deacon直接氧化法可按下列催化过程进行: CuCl2(s)=CuCl(s)+ Cl2(g)ΔH1=83kJ·mol-1 CuCl(s)+ O2(g)=CuO(s)+ Cl2(g)ΔH2=-20kJ·mol-1 CuO(s)+2HCl(g)=CuCl2(s)+H2O(g)ΔH3=-121kJ·mol-1 则4HCl(g)+O2(g)=2Cl2(g)+2H2O(g)的ΔH=_________kJ·mol-1。 (3)在一定温度的条件下,进一步提高HCl的转化率的方法是______________。 (写出2种) 答案精析 1.B [升温正、逆反应速率同时加快,达到平衡时间缩短,平衡向逆反应方向移动;CO的体积分数增大,NO2的转化率降低,化学平衡常数减小;压强增大,CO的体积分数降低,对比图像可知,只有选项B符合。 ] 2.C 3.A 4.B [根据图像分析,压强一定,温度升高,Fe3O4的平衡转化率增大,则该反应为吸热反应,ΔH>0,即a>0,A项正确;温度一定时,压强增大,平衡逆向移动,Fe3O4的平衡转化率减小,故p1<p2
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