第38講化學反應速率和平衡圖像【課標指引】

1.掌握常見化學反應速率和平衡圖像的分析方法。2.加深外界條件對化學反應速率及化學平衡影響的理解。考點一化學反應速率圖像考點二化學平衡圖像目錄索引

素養發展進階考點一化學反應速率圖像必備知識?梳理1.“漸變”類v-t圖像及分析

圖像分析結論

t1時v'(正)突然增大,v'(逆)逐漸增大;v'(正)>v'(逆),平衡向正反應方向移動t1時其他條件不變,增大反應物的濃度

t1時v'(正)突然減小,v'(逆)逐漸減小;v'(逆)>v'(正),平衡向逆反應方向移動t1時其他條件不變,減小反應物的濃度圖像分析結論

t1時v'(逆)突然增大,v'(正)逐漸增大;v'(逆)>v'(正),平衡向逆反應方向移動t1時其他條件不變,增大生成物的濃度

t1時v'(逆)突然減小,v'(正)逐漸減小;v'(正)>v'(逆),平衡向正反應方向移動t1時其他條件不變,減小生成物的濃度2.“斷點”類v-t圖像及分析

圖像

t1時刻所改變的條件溫度升高降低升高降低正反應為放熱的反應正反應為吸熱的反應壓強增大減小增大減小正反應為氣體物質的量增大的反應正反應為氣體物質的量減小的反應3.“平臺”類v-t圖像及分析

圖像分析結論

t1時v'(正)、v'(逆)均突然增大且v'(正)=v'(逆),平衡不移動其他條件不變,t1時使用催化劑其他條件不變,t1時增大反應體系的壓強且反應前后氣體體積無變化

t1時v'(正)、v'(逆)均突然減小且v'(正)=v'(逆),平衡不移動其他條件不變,t1時減小反應體系的壓強且反應前后氣體體積無變化關鍵能力?提升考向1速率—時間圖像及分析例1綠水青山是習總書記構建美麗中國的偉大構想,因此國家加大了對氮氧化物排放的控制力度。用活性炭還原處理氮氧化物的有關反應為C(s)+2NO(g)CO2(g)+N2(g)

ΔH<0。向容積可變的密閉容器中加入(足量的)活性炭和NO,在t2時刻改變某一條件,其反應的速率-時間圖像如圖所示。下列說法正確的是(

)A.給該反應升溫,v(正)減小,v(逆)增大B.t2時刻改變的條件是向密閉容器中加NOC.t1時刻的v(逆)大于t2時刻的v(正)D.若氣體的密度不變,不能說明該反應達到平衡B解析

升高溫度,任何反應的反應速率均增大,故給該反應升溫,v(正)增大,v(逆)增大,A錯誤;由圖像可知,壓強一定條件下,t2時刻改變條件以后,逆反應速率突然減小,達到新平衡時,與原反應速率相同,故改變的條件是向密閉容器中加NO,B正確;由B項分析可知,t2時刻改變的條件是向密閉容器中加NO,正反應速率增大,逆反應速率減小,則t1時刻的v(逆)小于t2時刻的v(正),C錯誤;由題干反應方程式可知,反應前后氣體的物質的量保持不變,即恒溫下容器的容積保持不變,反應正向氣體質量增加,故若氣體的密度不變,則氣體質量不變,說明該反應達到平衡,D錯誤。[對點訓練1]

對于反應2SO2(g)+O2(g)

2SO3(g)ΔH<0已達到平衡,如果其他條件不變時,分別改變下列條件,對化學反應速率和化學平衡產生影響,下列條件與圖像不相符的是[O~t1:v(正)=v(逆);t1時改變條件,t2時重新建立平衡](

)C解析

分析時要注意改變條件瞬間v(正)、v(逆)的變化。增大O2的濃度,v(正)瞬間增大,v(逆)瞬間不變,A正確;增大壓強,v(正)、v(逆)都瞬間增大,v(正)增大的倍數大于v(逆),B正確;升高溫度,v(正)、v(逆)都瞬間增大,速率曲線是不連續的,C錯誤;加入催化劑,v(正)、v(逆)同時同倍數增大,D正確。考向2物質的量(或濃度)—時間圖像及分析例2已知X(g)和Y(g)可以相互轉化:2X(g)

Y(g)

ΔH<0。現將一定量X(g)和Y(g)的混合氣體通入容積為1L的恒溫密閉容器中,反應物及生成物的濃度隨時間變化的關系如圖所示。下列說法不正確的是(

)A.若混合氣體的壓強不變,說明反應已達化學平衡狀態B.a、b、c、d四個點表示的反應體系中,表示化學反應處于平衡狀態的只有b點C.25~30min內用X表示的平均化學反應速率是0.08mol·L-1·min-1D.反應進行至25min時,曲線發生變化的原因是增加Y的濃度D解析

正反應是氣體分子數減小的反應,當壓強不再發生變化時,可以說明反應已經達到平衡狀態,A正確;根據題圖可知,只有b點表示的反應體系中,各物質的濃度不再發生變化,只有b點表示反應處于平衡狀態,B正確;25~30

min內X的濃度變化量是0.4

mol·L-1,用X表示化學反應的平均速率為

=0.08

mol·L-1·min-1,C正確;由題圖可知,反應進行至25

min時,曲線發生變化的原因是X物質的濃度增大,D錯誤。[對點訓練2]100℃時,向某恒容密閉容器加入1.6mol·L-1的Q后會發生如下反應:2Q(g)

M(g)。其中M的物質的量濃度隨時間的變化如圖所示:下列說法錯誤的是(

)A.從反應開始到剛達到平衡的時間段內,v(Q)=0.02mol·L-1·s-1B.a、b兩時刻生成Q的速率:v(a)<v(b)C.用Q濃度變化值表示的ab、bc兩個時間段內的反應速率:v(ab)>v(bc)=0D.其他條件相同,起始時將0.2mol·L-1氦氣與Q混合,則反應達到平衡所需時間少于60sD考點二化學平衡圖像必備知識?梳理1.濃度(轉化率、百分含量)—時間圖像及分析C%指生成物的百分含量,B%指反應物的百分含量。2.轉化率(或質量分數)與壓強—溫度圖像(1)恒壓線圖像(2)恒溫線圖像

3.兩類特殊圖像(1)對于化學反應mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g),M點前,表示從反應開始,v(正)>v(逆);M點為剛達到平衡點;M點后為平衡受溫度的影響情況,即升高溫度,A%增加或C%減少,平衡逆向移動,則有ΔH<0。(2)對于化學反應mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g),L線上所有的點都是平衡點。L線的上方(E點),A%大于此壓強時平衡體系中A%,則E點滿足v(正)>v(逆);同理L線的下方(F點)滿足v(正)<v(逆)。關鍵能力?提升考向1濃度(物質的量、轉化率、百分含量)—時間圖像及分析例1在其他條件不變時,只改變某一條件,化學反應aA(g)+B(g)

cC(g)的平衡的變化圖像如下(圖中p表示壓強,T表示溫度,n表示物質的量,α表示平衡轉化率),據此分析下列說法正確的是(

)A.在圖像反應Ⅰ中,說明正反應為吸熱反應B.在圖像反應Ⅰ中,若p1>p2,則此反應的ΔS>0C.在圖像反應Ⅱ中,說明該正反應為吸熱反應D.在圖像反應Ⅲ中,若T1>T2,則該反應能自發進行D解析

A項,圖像反應Ⅰ中任取一曲線,圖中隨著溫度的升高反應物的平衡轉化率減小,升高溫度平衡向逆反應方向移動,則正反應為放熱反應,錯誤;B項,在圖像反應Ⅰ的橫坐標上任取一點,作橫坐標的垂直線與兩曲線相交,若p1>p2,增大壓強反應物的平衡轉化率增大,增大壓強平衡向正反應方向移動,則a+1>c,ΔS<0,錯誤;C項,圖像反應Ⅱ中T1先出現拐點,T1反應速率快,T1>T2,T1平衡時n(C)小于T2平衡時n(C),升高溫度平衡向逆反應方向移動,正反應為放熱反應,錯誤;D項,圖像反應Ⅲ增大壓強平衡不移動,則a+1=c,若T1>T2,升高溫度A的轉化率減小,升高溫度平衡向逆反應方向移動,則ΔH<0,該反應能自發進行,正確。[對點訓練1]

在容積為VL的恒溫密閉容器中模擬工業合成氨。充入N2和H2的總物質的量為1mol,容器內各組分的物質的量分數與反應時間t的關系如圖所示。下列說法不正確的是(

)A.a表示N2的物質的量分數B.0~t1min,v(H2)=mol·L-1·min-1C.t2min時,NH3的分解速率小于其生成速率D.t3min時,改變的條件可能為減小容器容積B解析

開始時N2和H2各占50%,總物質的量是1

mol,則N2和H2各為0.5

mol,列三段式:

N2(g)+3H2(g)2NH3(g)起始量/mol

0.5

0.5

0轉化量/mol

x

3x

2x某時刻量/mol

0.5-x

0.5-3x

2x考向2恒壓(或恒溫)線圖像及分析例2以CO2和H2為原料制造更高價值的化學產品是用來緩解溫室效應的研究方向。向2L容器中充入1molCO2和3molH2,發生反應CO2(g)+3H2(g)

CH3OH(g)+H2O(g),測得反應在不同溫度和壓強下,平衡混合物中CH3OH體積分數如圖所示。下列說法錯誤的是(

)A.p1>p2B.a點CO2的轉化率為75%C.a、b、c三點對應的化學反應速率v(a)<v(c)<v(b)D.b→a過程,平衡向正反應方向移動C解析

在其他條件不變的情況下,增大壓強,平衡正向移動,CH3OH的體積分數增大,則p1>p2,A正確;設a點CO2的轉化量為x

mol,氫氣的轉化量為3x

mol,甲醇的生成量為x

mol,水的生成量為x

mol,則

×100%=30%,解得x=0.75,則CO2的轉化率為75%,B正確;隨著溫度的升高,甲醇的體積分數減小,平衡向逆反應方向移動,正反應為放熱反應,壓強越大,反應速率越快,則v(a)<v(b)<v(c),C錯誤;b→a過程,溫度降低,則平衡向正反應方向移動,D正確。[對點訓練2]

反應N2O4(g)2NO2(g)

ΔH=+57kJ·mol-1,在溫度為T1、T2時,平衡體系中NO2的體積分數隨壓強變化曲線如圖所示。下列說法正確的是(

)A.A、C兩點的化學平衡常數:KA>KCB.A、C兩點氣體的顏色:A深,C淺C.由狀態B到狀態A,可以用加熱的方法D.A、C兩點氣體的平均相對分子質量:A>CC解析

A、C兩點對應的溫度相同,平衡常數只受溫度的影響,KA=KC,A錯誤;A點到C點,壓強增大,NO2(g)的濃度增大,雖然平衡逆向移動,最終二氧化氮的濃度比原濃度大,即C點氣體顏色比A點深,B錯誤;A點到B點,NO2的體積分數減小,說明相同壓強下,T2到T1,平衡逆向移動,T2>T1,即由狀態B到狀態A,可以用加熱的方法,C正確;A點到C點,壓強增大,平衡逆向移動,該反應的逆反應為氣體相對分子質量增大的反應,即A點氣體的平均相對分子質量小于C點氣體的平均相對分子質量,D錯誤。思維建模1.解答化學平衡圖像類題的四個“步驟”2.分析化學平衡圖像的三種“技巧”(1)先拐先平在含量(轉化率)—時間曲線中,先出現拐點的先達到平衡,說明該曲線反應速率快,表示溫度較高、有催化劑、壓強較大等。(2)定一議二當圖像中有三個量時,先確定一個量不變,再討論另外兩個量的關系,有時還需要作輔助線。(3)三看法一看反應速率是增大還是減小;二看v(正)、v(逆)的相對大小;三看化學平衡移動的方向。素養發展進階進階1練易錯·避陷阱1.(2023·廣東佛山一模)一定溫度下,在剛性容器中加入等物質的量的H2(g)與NO(g)發生反應:2H2(g)+2NO(g)

N2(g)+2H2O(g)

ΔH<0,測得H2(g)與H2O(g)的分壓隨時間變化如圖所示。下列說法正確的是(

)BA.當氣體密度不再變化時,反應達到平衡B.體系中氣體總物質的量:n初始∶n平衡=5∶4C.升高溫度,反應速率:v(正)減小,v(逆)增大D.該反應的活化能:E正>E逆解析

反應過程中氣體總質量不變,容器容積不變,則氣體密度保持不變,不能判斷反應是否達到平衡,A錯誤;列出“三段式”:

2H2(g)+2NO(g)

N2(g)+2H2O(g)

總壓強起始

2.5p0

2.5p0

0

05p0變化

2p0

2p0

p0

2p0平衡

0.5p0

0.5p0

p0

2p0

4p0則體系中氣體總物質的量:n初始∶n平衡=p初始∶p平衡=5p0∶4p0=5∶4,B正確;升高溫度,正、逆反應速率都增大,C錯誤;該反應為放熱反應,則正反應的活化能小于逆反應的活化能,D錯誤。2.(2023·廣東佛山二模)在催化劑作用下,向容積為1L的容器中加入1molX和3molY,發生反應:X(g)+2Y(s)

2Z(s),平衡時和反應10min時X的轉化率α(X)隨溫度的變化分別如曲線Ⅰ、Ⅱ所示。下列說法錯誤的是(

)CA.該反應ΔH>0B.200℃時,前10min的平均反應速率v(X)=0.02mol·L-1·min-1C.400℃時,反應的平衡常數K=2D.bc段變化可能是催化劑在溫度高于400℃時活性降低導致進階2練熱點·提素能3.(2023·廣東湛江二模)一定條件下熱解制取H2:2H2S(g)+CH4(g)CS2(g)+4H2(g)。已知其他條件不變時,溫度對H2S的平衡轉化率和催化劑催化效率的影響如圖所示。下列說法一定正確的是(

)CA.平衡常數:K(Y)>K(Z)B.達到平衡所需時間:t(X)<t(Y)C.總能量:E生成物>E反應物D.單位時間的轉化率:α(Z)>α(Y)4.(2023·廣東深圳第二次調研)恒溫、恒壓下,向密閉容器中充入少量正丁烷,可同時發生以下反應:B進階3研真題·明考向

A.x1<x2B.反應速率:vb(正)<vc(正)C.點a、b、c對應的平衡常數:Ka<Kb=KcD.反應溫度為T1,當容器內壓強不變時,反應達到平衡狀態B解析

加入1

mol

CH4和一定量的H2O發生反應,增大n(H2O)時,x=

減小,但CH4的平衡轉化率增大,結合圖像知x1<x2,A項正確;點b、c均為平衡狀態,v(正)=v(逆),點b

CH4的平衡轉化率大于點c,兩點CH4的投料量相同,則反應產物CO、H2的平衡濃度:點b>點c,兩點溫度相同,故vc(逆)<vb(逆),vc(正)<vb(正),B項錯誤;依據相同投料比時CH4轉化率隨溫度變化曲線知,正反應為吸熱反應,則溫度升高,K值變大,故Ka<Kb=Kc,C項正確;該反應為氣體分子數改變的可逆反應,恒溫恒容時,容器內壓強不變,說明反應達到平衡狀態,D項正確。6.(2023·江蘇卷)二氧化碳加氫制甲烷過程中的主要反應為:CO2(g