《优化指导》高考化学总复习第七章 化学反应速率和化学平衡综合课4化学平衡图像类型及突破方法.docx
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《优化指导》高考化学总复习第七章化学反应速率和化学平衡综合课4化学平衡图像类型及突破方法
综合课4 化学平衡图像类型及突破方法
化学平衡图像类试题是化学试题中的一种常见题型,通常把所要考查的化学知识寓于图像上,具有简明、直观、形象的特点。
该类试题在选择题与非选择题中均有考查。
因为图像是用二维坐标表示的,所以该类试题包含的信息量比较大,该类试题很能考查学生获取信息、整合信息的能力,和分析问题、解决问题的能力,是高考的热点和重点。
一、经典图像的分类突破
1.图像类型
(1)物质的量(或浓度)—时间图像
例如,某温度时,在定容(VL)容器中,X、Y、Z三种物质的物质的量随时间的变化曲线如图所示。
①由图像得出的信息是
a.X、Y是反应物,Z是产物;
b.t3时反应达平衡,X、Y没有全部反应。
②根据图像可进行如下计算:
a.某物质的平均速率、转化率,如v(X)=mol·L-1·s-1,Y的转换率=×100%。
b.确定化学方程式中的化学计量数之比
如X、Y、Z三种物质的化学计量数之比为
(n1-n3)(n2-n3)n2。
(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。
2.解题步骤
3.解题技巧
(1)先拐先平
在含量(转化率)—时间曲线中,先出现拐点的先达到平衡,说明该曲线反应速率快,表示温度较高、有催化剂、压强较大等。
(2)定一议二
当图像中有三个量时,先确定一个量不变,再讨论另外两个量的关系,有时还需要作辅助线。
1.(2018·浙江温州模拟)在某密闭恒容容器中发生反应:
X(g)Y(g)+nZ(g) ΔH=+QkJ·mol-1(Q>0)。
反应体系在2min时达到平衡后,各物质的浓度在不同条件下的变化如图所示(第12min到16min的X浓度变化曲线未标出),下列说法不正确的是( )
A.反应方程式中的n=1
B.12~14min内,用Y表示的平均速率为0.004mol·L-1·min-1
C.在6~10min内,反应吸收的热量为0.016QkJ
D.第12min时,Z曲线发生变化的原因是移走一部分Z
解析:
选C 由图示知,在第12min到16min之间,Y和Z浓度改变值相同,则化学计量数相同,A正确;由图像可知,纵坐标每个单元格表示0.004mol·L-1,12~14min内Y变化的浓度改变值为0.008mol·L-1,即反应速率为0.004mol·L-1·min-1,B正确;题目中没有给出容器的体积,因此无法计算反应吸收的热量,C错误;12min时,Z的浓度发生突变,浓度突然减小,而Y的浓度逐渐增大,说明反应向正反应方向进行,因此改变的条件是移走了一部分Z,D正确。
2.(2018·衡阳模拟)可逆反应aA(s)+bB(g)cC(g)+dD(g) ΔH=QkJ·mol-1,反应过程中,当其他条件不变时,某物质在混合物中的含量与温度(T)、压强(p)的关系如图所示,据图分析,以下说法正确的是( )
A.T1>T2,ΔH>0 B.T1<T2,ΔH>0
C.p1>p2,a+b=c+dD.p1<p2,b=c+d
解析:
选D 由图1可知,T2>T1,且由T1→T2时,C%减小,即升温平衡左移,故此反应的ΔH<0,所以A、B项均不正确;由图2知,p2>p1且压强改变B%不变,说明压强改变对此平衡无影响,由于A为固体,故b=c+d,所以D项正确,C项错误。
3.(2018·长邵中学月考)一定条件下,反应2NH3(g)N2(g)+3H2(g) ΔH>0达到平衡时N2的体积分数与温度、压强的关系如图所示。
下列说法正确的是( )
A.压强:
p1>p2
B.b、c两点对应的平衡常数:
Kc>Kb
C.a点:
2v(NH3)正=3v(H2)逆
D.a点:
NH3的转化率为1/3
解析:
选B A项,该反应为气体分子数增大的反应,恒温时,压强越大,N2的体积分数越小,p1<p2,故A项错误;B项,b、c两点对应温度b<c,该反应为吸热反应,温度越高,平衡常数越大,Kc>Kb,故B正确;C项,反应速率之比等于化学计量数之比,3v(NH3)正=2v(H2)逆,故C错误;D项,对于反应2NH3(g)N2(g)+3H2(g),假设反应前氨气的物质的量为1mol,反应的氨气的物质的量为xmol,则=0.1,解得x=,因此氨气的转化率为,故D错误。
4.某化学科研小组研究在其他条件不变时,改变某一条件对A2(g)+3B2(g)2AB3(g)化学平衡状态的影响,得到如图所示的变化规律(图中T表示温度,n表示物质的量),根据如图可得出的结论是( )
①平衡常数b>a>c
②达到平衡时A2的转化率大小为b>a>c
③若T2>T1,则正反应一定是吸热反应
④b点时,平衡体系中A、B原子数之比为1∶3
A.①② B.①③ C.②④ D.③④
解析:
选D 由图像可以得出如下信息:
ⅰ.T2、T1表示温度,且温度高低不确定;ⅱ.起始时,AB3的体积分数为0,横坐标表示投入B2物质的量,暗示:
A2的量不变;ⅲ.AB3的体积分数变化趋势:
由0逐渐增大,达到最大值后逐渐减小,T1和T2曲线变化一致。
由于T1与T2温度高低不确定,无法判断该可逆反应的正反应是吸热还是放热。
平衡常数a=b=c,①错;A2的量一定时,随着B2的量增大,A2的平衡转化率增大,则a<b<c,②错;作一条垂直横轴的直线,若T2>T1,温度升高,平衡体系中AB3浓度增大,则正反应是吸热反应;若T2<T1,降低温度,AB3的体积分数增大,则该正反应是放热反应,③正确;起始时加入反应物的物质的量之比与反应物系数之比相等,生成物的体积分数最大,再由原子守恒可知,n(A)∶n(B)=1∶3,④正确。
二、几种新型图像的突破
1.图像类型
Ⅰ.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aMPa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”)。
Ⅱ.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。
Ⅲ.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回收。
反应为
2CO(g)+SO2(g)2CO2(g)+S(l)
ΔH=-270kJ·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)汽车使用乙醇汽油并不能减小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AgZSM5为催化剂,测得NO转化为N2的转化率随温度变化情况如图所示。
ο无CO时NO直接分解为N2的产率 ▲CO剩余的百分率
n(NO)/n(CO)=1条件下,NO还原为N2的转化率
若不使用CO,温度超过775K,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。
2.解题指导
新型图像往往根据实际工业生产,结合图像,分析投料比、转化率、产率的变化。
此类题目信息量较大,能充分考查学生读图、提取信息、解决问题的能力,在新课标高考中受到命题者的青睐。
解题时要注意以下要点:
(1)明确纵、横坐标表示的意义和图像的变化趋势。
(2)理解实际工业生产原理,明确已知和所求,找出问题的切入点。
(3)把实际问题转化为化学问题利用速率和平衡原理解决问题。
1.(2018·玉林统考)煤气化的一种方法是在气化炉中给煤炭加氢,发生的主要反应为C(s)+2H2(g)CH4(g)。
在VL的容器中投入amol碳(足量),同时通入2amolH2,控制条件使其发生上述反应,实验测得碳的平衡转化率随压强及温度的变化关系如图所示。
下列说法正确的是( )
A.上述正反应为吸热反应
B.在4MPa、1200K时,图中X点v正(H2)<v逆(H2)
C.在5MPa、800K时,该反应的平衡常数为
D.工业上维持6MPa、1000K而不采用10MPa、1000K,主要是因为前者碳的转化率高
答案:
A
2.(2018·长沙联考)一定条件下合成乙烯发生反应:
6H2(g)+2CO2(g)CH2=CH2(g)+4H2O(g)。
反应的平衡转化率和催化剂催化效率的影响如图所示,下列说法正确的是( )
A.生成乙烯的速率:
v(M)>v(N)
B.平衡常数:
KM C.催化剂会影响CO2的平衡转化率 D.若投料比n(H2)n(CO2)=31,则图中M点时,CO2的体积分数为15.4% 解析: 选D 化学反应速率随温度的升高而加快,而由M点到N点,催化剂的催化效率降低,反应物浓度也减小,因为温度变化与催化剂效率、浓度变化对化学反应速率的影响趋势相反,则v(M)与v(N)大小关系不能确定,故A错误;升高温度,二氧化碳的平衡转化率降低,则升温平衡逆向移动,所以化学平衡常数减小,即KM>KN,故B错误;催化剂只影响反应速率,不影响平衡移动和转化率,故C错误;设开始投料n(H2)=3mol,则n(CO2)=1mol,在M点平衡时二氧化碳的转化率为50%,所以有 6H2(g)+2CO2(g)CH2=CH2(g)+4H2O(g) n(起始)/mol 3 1 0 0 n(转化)/mol 1.5 0.5 0.25 1 n(平衡)/mol 1.5 0.5 0.25 1 所以CO2的体积分数为×100%=15.4%,故D正确。 3.(2016·全国卷Ⅱ,27)丙烯腈(CH2===CHCN)是一种重要的化工原料,工业上可用“丙烯氨氧化法”生产,主要副产物有丙烯醛(CH2===CHCHO)和乙腈(CH3CN)等。 回答下列问题: (1)以丙烯、氨、氧气为原料,在催化剂存在下生成丙烯腈(C3H3N)和副产物丙烯醛(C3H4O)的热化学方程式如下: ①C3H6(g)+NH3(g)+O2(g)===C3H3N(g)+3H2O(g) ΔH=-515kJ·mol-1 ②C3H6(g)+O2(g)===C3H4O(g)+H2O(g) ΔH=-353kJ·mol-1 两个反应在热力学上趋势均很大,其原因是________________________________;有利于提高丙烯腈平衡产率的反应条件是__________________________;提高丙烯腈反应选择性的关键因素是____________。 (2)图a为丙烯腈产率与反应温度的关系曲线,最高产率对应的温度为460℃。 低于460℃时,丙烯腈的产率____________(填“是”或“不是”)对应温度下的平衡产率,判断理由是________________________________________________________________________ ____________;高于460℃时,丙烯腈产率降低的可能原因是____________(双选,填序号)。 A.催化剂活性降低 B.平衡常数变大 C.副反应增多D.反应活化能增大 (3)丙烯腈和丙烯醛的产率与n(氨)/n(丙烯)的关系如图b所示。 由图可知,最佳n(氨)/n(丙烯)约为____________,理由是___________________________________________________。 进料气氨、空气、丙烯的理论体积比约为______________。 解析: (1)因为生成丙烯腈和丙烯醛的反应均为放热量较大的反应,所以在热力学上趋势均很大;反应①为气体体积增大的放热反应,低温、低压均有利于提高丙烯腈的平衡产率;使用合适的催化剂可以提高丙烯腈反应的选择性。 (2)该反应是放热反应,温度升高平衡产率应降低,而低于460℃时产率随温度的升高而增大,说明在此时反应平衡尚未建立,对应温度下的产率不是平衡产率。 催化剂在一定的温度范围内活性较高,高于460℃时,催化剂活性降低,丙烯腈产率降低,A正确;反应①是放热反应,温度升高平衡左移,平衡常数变小,丙烯腈产率降低,B错误;温度升高,副反应增多,导致丙烯腈的产率下降,C正确;反应活化能的大小不影响平衡,D错误。 (3)根据图b可知,当≈1.0时,丙烯腈的产率提高,而丙烯醛的产率最低,故1.0是最佳比值。 根据化学反应: C3H6(g)+NH3(g)+O2(g)===C3H3N(g)+3H2O(g),氨气、氧气、丙烯按11.51的初始体积比加入反应达到最佳状态,而空气中氧气约占,所以进料氨、空气、丙烯的理论体积比约为17.51。 答案: (1)两个反应均为放热量大的反应 低温、低压 催化剂 (2)不是 该反应为放热反应,平衡产率应随温度升高而降低 AC (3)1.0 该比例下丙烯腈产率最高,而副产物丙烯醛产率最低 17.51 4.(2018·济宁统考)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________________________________________________________________________。 解析: (1)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百分含量没明显变化。 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)
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