2020届高考化学一轮复习化学反应速率和平衡的综合应用及图像学案 13页

化学反应速率和平衡的综合应用及图象。‎ 知识体系 ‎　‎ 一、化学平衡常数（浓度平衡常数）及转化率的应用 ‎1、化学平衡常数 ‎　 （1）化学平衡常数的数学表达式 ‎（2）化学平衡常数表示的意义 ‎　　平衡常数数值的大小可以反映可逆反应进行的程度大小，K值越大，反应进行越完全，反应物转化率越高，反之则越低。‎ ‎2、有关化学平衡的基本计算 ‎ (1)物质浓度的变化关系 ‎ 反应物：平衡浓度＝起始浓度-转化浓度 ‎ 生成物：平衡浓度＝起始浓度+转化浓度 其中，各物质的转化浓度之比等于它们在化学方程式中物质的计量数之比。‎ ‎(2)反应的转化率(α)：α＝×100％‎ ‎(3)在密闭容器中有气体参加的可逆反应，在计算时经常用到阿伏加德罗定律的两个推论：‎ ‎ 恒温、恒容时： ；恒温、恒压时：n1/n2=V1/V2‎ ‎(4)计算模式 浓度(或物质的量) aA(g)+bB(g) cC(g)+dD(g)‎ ‎ 起始 m n O O ‎ 转化 ax bx cx dx ‎ 平衡 m-ax n-bx cx dx α(A)=（ax/m）×100％‎ ‎ ω(C)＝×100％‎ ‎(3)化学平衡计算的关键是准确掌握相关的基本概念及它们相互之间的关系。化学平衡的计算步骤，通常是先写出有关的化学方程式，列出反应起始时或平衡时有关物质的浓度或物质的量，然后再通过相关的转换，分别求出其他物质的浓度或物质的量和转化率。概括为：建立解题模式、确立平衡状态方程。说明： 　　①反应起始时，反应物和生成物可能同时存在； 　　②由于起始浓度是人为控制的，故不同的物质起始浓度不一定是化学计量数比，若反应物起始浓度呈现计量数比，则隐含反应物转化率相等，且平衡时反应物的浓度成计量数比的条件。 　　③起始浓度，平衡浓度不一定呈现计量数比，但物质之间是按计量数反应和生成的，故各物质的浓度变化一定成计量数比，这是计算的关键。‎ 二、学习化学平衡应注意的三个问题 ‎1、等效平衡：在两种不同的初始状态下，同一个可逆反应在一定条件(定温、定容或定温、定压)下分别达到平衡时，各组成成分的物质的量(或体积)分数相等的状态。在恒温恒容条件下，建立等效平衡的一般条件是：反应物投料量相当；在恒温恒压条件下，建立等效平衡的条件是：相同反应物的投料比相等。 　　2、平衡移动的思维基点： 　　(1)“先同后变”，进行判断时，可设置相同的平衡状态(参照标准)，再根据题设条件观察变化的趋势； 　　(2)“不为零原则”，对于可逆反应而言，无论使用任何外部条件，都不可能使其平衡体系中的任何物质浓度变化到零。 3、在实际生产中，需要综合考虑反应速率、化学平衡、原料选择、产量和设备等各方面情况，以确定最佳生产条件。合成氨选择的适宜条件通常是：20MPa－50MPa、‎500℃‎左右、铁触媒；及时补充N2和H2，及时将生成氨分离出来。‎ 基础过关 速率平衡图象常见类型 解题策略：(1)首先要看清楚横轴和纵轴意义(特别是纵轴。表示转化率和表示反应物的百分含量情况就完全相反)以及曲线本身属等温线还是等压线。(当有多余曲线及两个以上条件时，要注意“定一议二”)(2)找出曲线上的特殊点，并理解其含义。(如“先拐先平”)　(3)根据纵轴随横轴的变化情况，判定曲线正确走势，以淘汰错误的选项。‎ ‎1、速率—时间图 此类图象定性地揭示了v正、v逆随时间（含条件改变对速率的影响）而变化的规律，体现了平衡的“动、等、定、变”的基本特征，以及平衡移动的方向．‎ 例1、对达到平衡状态的可逆反应X+YZ+W，在其他条件不变的情况下，增大压强，反应速率变化图象如图1所示，则图象中关于X、Y、Z、W四种物质的聚集状态为（ ）‎ A．Z、W均为气体，X、Y中有一种是气体 B．Z、W中有一种是气体，X、Y皆非气体 C．X、Y、Z、W皆非气体 D．X、Y均为气体，Z、W中有一种为气体 解析：经常有一些同学错选B，认为增大压强，平衡向气体体积缩小的方向移动．其实，图象告诉我们的是：增大压强，加快了正、逆反应，但逆反应速率增大的幅度大于正反应速率增大的幅度，由此而导致平衡向左移动．而压强的改变，只影响气体反应的速率，选项B所言的X、Y皆非气体即其正反应速率不受影响，故正确答案为A．‎ ‎2、浓度—时间图 此类图象能说明各平衡体系组分（或某一成分）在反应过程中的变化情况．解题时要注意各物质曲线的折点（达平衡时刻），各物质浓度变化的内在联系及比例符合化学方程式中化学计量数关系等情况．‎ 例2、图2表示‎800℃‎时A、B、C三种气体物质的浓度随时间的变化情况，t1是到达平衡状态的时间．试回答：（1）该反应的反应物是______；（2）反应物的转化率是______；（3）该反应的化学方程式为______．‎ 解析：‎ 起始时A的浓度为2.0mol／L，B、C的浓度为0，随着时间的推移，A的浓度降低为1.2mol／L，C的浓度升高为1.2mol／L，B的浓度升高为0.4mol/L．t1时刻后各物质浓度不再变化，说明反应已达平衡，得出A为反应物，B、C为产物，它们浓度变化的差值之比为化学方程式中各物质的化学计量数之比．故正确答案为（1）A；（2）40％；（3）‎2A＝B＋C．‎ ‎3、含量—时间—温度（压强）图 这类图象反映了反应物或生成物的量在不同温度（压强）下对时间的关系，解题时要注意一定条件下物质含量不再改变时，应是化学反应达到平衡的特征．‎ 例3、同压、不同温度下的反应：‎ A（g）＋B（g）C（g）；△H A的含量和温度的关系如图3所示，下列结论正确的是 （ ）‎ A．T1＞T2，△H>0 B．T1＜T2，△H>‎0 C．T1＞T2，△H<0 D．T1＜T2，△H<0‎ 解析：在其他条件不变的情况下，升高温度加快反应速率，缩短反应到达平衡的时间．由图象可知，T1温度下，反应先达平衡，所以T1＞T2．在其他条件不变的情况下，升高温度平衡向吸热方向移动，降低温度平衡向放热方向移动．因为T1＞T2，达平衡时T1温度下A的含量较大，即A的转化率降低，所以升温时平衡向逆反应方向移动．因此该反应的正方向为放热反应，即△H<0，故正确答案选C．‎ 例4、 现有可逆反应A（g）＋2B（g）nC（g）；△H<0，在相同温度、不同压强时，A的转化率跟反应时间（t）的关系如图4，其中结论正确的是（）‎ A．p1＞p2，n＞3 B．p1＜p2，n＞‎3 C．p1＜p2，n＜3 D．p1＞p2，n=3‎ 解析：当其他条件不变时，对于有气体参加的可逆反应，压强越大，到达平衡的时间越短．图象中曲线和横轴平行，表明反应已达平衡．由图象知道，当压强为p2时，该反应到达平衡的时间较短，故p1＜p2‎ ‎．在其他条件不变的情况下，增大压强会使化学平衡向着气体体积缩小的方向移动．因p1＜p2，且当压强为p1时，A的转化率较大，所以正反应为气体体积增加的反应，即1+2＜n，故正确答案选B．‎ ‎4、恒压（温）线 该类图象的纵坐标为物质的平衡浓度或反应物的转化率，横坐标为温度或压强．‎ 例5 、对于反应‎2A（g）＋B（g）‎2C（g）；△H<0，下列图象正确的是 （）‎ 解析：首先要知道该反应是气体体积缩小的放热反应．此反应的平衡体系受压强的影响是：增大压强平衡向正反应方向移动，A的转化率增大，B的含量减小，C的含量增大．升高温度，平衡向逆反应方向移动，A的转化率减小，B的含量增大，C的含量减小．A图象虽表示B的含量随温度升高而增加，但若平衡是从C物质开始反应而建立的，则符合此反应．另外，从反应开始到建立平衡，温度越高，到达平衡的时间越短．由于该反应是放热反应，建立平衡后，温度越高，B的含量就应越大．因此A、D图象正确，符合上述平衡体系，B、C图象不符合题意．‎ ‎5．速率—温度（压强）图 例6、 对于可逆反应：A2（g）＋3B2（g）2AB3（g）；△H<0，下列图象中正确的是 （）‎ 解析：该反应的正反应是气体体积缩小且放热的反应．图象A正确，因为温度升高，正逆反应都加快，在二曲线相交处可逆反应达到平衡，交点后逆反应速率的增加更为明显，与正反应是放热反应相符．针对该反应特点，只升温而使平衡向逆反应方向移动，A的含量增加；只加压而使平衡向正反应方向移动，A的含量减少，B也正确．对可逆反应，温度越高，到达平衡的时间越短，C不合题意．图象D表示的意义是：增大压强逆反应速率的加快比正反应明显，与本反应是气体体积减小的特点相悖，故正确答案为A，B 典型例题 ‎【例1】 当反应达到平衡时，下列措施：①升温 ②恒容通入惰性气体 ③增加CO的浓度 ④减压 ⑤加催化剂 ⑥恒压通入惰性气体，能提高COCl2转化率的是 A．①②④ B．①④⑥ C．②③⑥ D．③⑤⑥‎ 答案B ‎【解析】本题考查化学平衡的移动。该反应为体积增大的吸热反应，所以升温和减压均可以促使反应正向移动。恒压通入惰性气体，相当于减压。恒容通入惰性气体与加催化剂均对平衡无影响。增加CO的浓度，将导致平衡逆向移动。‎ ‎【方法提炼】对于恒容容器，通入稀有气体，由于容器的体积不变，各组分的浓度保持不变，故反应速率保持不变，平衡也即不移动。若为恒压容器，通入稀有气体，容器的体积膨胀，对于反应则相当于减压。‎ ‎【例2】反应aM (g)+bN(g) ‎ cP(g)+dQ(g)达到平衡时。M的体积分数y(M)与反应条件的关系如图所示。其中：Z表示反应开始时N的物质的量与M的物质的量之比。下列说法正确的是 A.同温同压Z时，加入催化剂，平衡时Q的体积分数增加 B.同压同Z时，升高温度，平衡时Q的体积分数增加 C.同温同Z时，增加压强，平衡时Q的体积分数增加 D.同温同压时，增加Z，平衡时Q的体积分数增加。‎ 答案：B 解析：本题考查了平衡移动原理的应用。A项加入催化剂只能改变反应速率，不会使平衡移动。B项由图像（1）知随着温度的升高M的体积分数降低，说明正反应吸热，所以温度升高平衡正向移动，Q的体积分数增加。C项对比（1）（2）可以看出相同温度条件，压强增大M的体积分数增大，所以正反应是体积缩小的反应，增大压强Q的体积分数减小。D项由C项可以判断D也不对。‎ ‎【例3】在溶液中，反应A+2BC分别在三种不同实验条件下进行，它们的起始浓度均为、及。反应物A的浓度随时间的变化如下图所示。‎ 请回答下列问题：‎ ‎（1）与①比较，②和③分别仅改变一种反应条件。所改变的条件和判断的理由是：‎ ‎②_______________；‎ ‎③_______________；‎ ‎（2）实验②平衡时B的转化率为_________；实验③平衡时C的浓度为____________；‎ ‎（3）该反应的_________0，判断其理由是__________________________________；‎ ‎（4）该反应进行到4.0min时的平均反应速度率：‎ 实验②：=__________________________________；‎ 实验③：=__________________________________。‎ ‎【解析】（1）②使用了（正）催化剂；理由：因为从图像可看出，两者最终的平衡浓度相同，即最终的平衡状态相同，而②比①所需要的时间短，显然反应速率加快了，故由影响反应速率和影响平衡的因素可知是加入（正）催化剂；③升高温度；理由：因为该反应是在溶液中进行的反应，所以不可能是改变压强引起速率的改变，又由于各物质起始浓度相同，故不可能是改变浓度影响反应速率，再由于③和①相比达平衡所需时间短，平衡时浓度更小，故不可能是改用催化剂，而只能是升高温度来影响反应速率的 ‎（2）不妨令溶液为‎1L，则②中达平衡时A转化了0.04mol，由反应计量数可知B转化了0.08mol，所以B转化率为；同样在③中A转化了0.06mol，则生成C为0.06mol,体积不变，即平衡时C(c)=0.06mol/L ‎(3) ﹥0；理由：由③和①进行对比可知升高温度后A的平衡浓度减小，即A的转化率升高，平衡向正方向移动，而升温是向吸热的方向移动，所以正反应是吸热反应，﹥0‎ ‎（4）从图上读数，进行到4.0min时，实验②的A的浓度为：0.072mol/L,则△C(A)=0.10-0.072=0.028mol/L，,∴=2=0.014mol(L·min)-1；进行到‎4.0mi实验③的A的浓度为：0.064mol/L：△C(A,) =0.10-0.064=0.036mol/L，,∴==0.0089mol(L·min)-1‎ ‎【答案】（1）②加催化剂；达到平衡的时间缩短，平衡时A的浓度未变 ‎③温度升高；达到平衡的时间缩短，平衡时A的浓度减小 ‎（2）40%（或0.4）；0.06mol/L；（3）﹥；升高温度向正方向移动，故该反应是吸热反应 ‎（4）0.014mol(L·min)-1；0.008mol(L·min)-1‎ ‎【命题意图】考查基本理论中的化学反应速率化学平衡部分，一些具体考点是：易通过图像分析比较得出影响化学反应速率和化学平衡的具体因素（如：浓度，压强，温度，催化剂等）、反应速率的计算、平衡转化率的计算，平衡浓度的计算，的判断；以及计算能力，分析能力，观察能力和文字表述能力等的全方位考查。‎ ‎【点评】本题所涉及的化学知识非常基础，但是能力要求非常高，观察和分析不到位，就不能准确的表述和计算，要想此题得满分必须非常优秀才行！此题与2009年全国卷II理综第27题，及安微卷理综第28题都极为相似，有异曲同工之妙，所以对考生不陌生！‎ ‎【例4】（14分）硫一碘循环分解水制氢主要涉及下列反应：‎ ‎ Ⅰ SO2+2H2O+I2===H2SO4+2HI ‎ ‎ Ⅱ 2HIH2+I2‎ ‎ Ⅲ 2H2SO42===2SO2+O2+2H2O ‎（1）分析上述反应，下列判断正确的是 。‎ ‎ a．反应Ⅲ易在常温下进行 b．反应Ⅰ中氧化性比HI强 c．循环过程中需补充H2O d．循环过程中产生1mol O2的同时产生1mol H2‎ ‎（2）一定温度下，向‎1L密闭容器中加入1mol HI（g），发生反应Ⅱ，H2物质的量随时间的变化如图所示。‎ ‎ 0~2 min内的平均放映速率v（HI）= 。该温度下，H2（g）+I2（g）2HI（g）的平衡常数K= 。‎ 相同温度下，若开始加入HI（g）的物质的量是原来的2倍，则 是原来的2倍。‎ a．平衡常数 b．HI的平衡浓度 c．达到平衡的时间 d．平衡时H2的体积分数 ‎（3）实验室用Zn和稀硫酸制取H2，反应时溶液中水的电离平衡 移动（填“向左”“向右”或者“不”）；若加入少量下列试剂中的 ，产生H2的速率将增大。‎ ‎ a．NaNO3 b．CuSO‎4 c．Na2SO4 d．NaHSO3‎ ‎（4）以H2为燃料可制成氢氧燃料电池。‎ ‎ 已知 2H2（g）+O2（g）===2H2O(I) △H=-572KJ．mol-1‎ ‎ 某氢氧燃料电池释放228．8KJ电能时，生成1mol液态水，该电池的能量转化率为 。‎ 解析：(1)H2SO4在常温下，很稳定不易分解，这是常识，故a错；反应Ⅰ中SO2是还原剂，HI是还原产物，故还原性SO2＞HI，则b错；将Ⅰ和Ⅱ分别乘以2和Ⅲ相加得：2H2O==2H2+O2，故c正确d错误。‎ ‎(2) υ (H2)=0. 1mol/‎1L/2min=0.05 mol·L-1·min-1，则υ (HI)=2 υ (H2)=0.1‎ ‎ mol·L-1·min-1；‎ ‎2HI(g)==H2(g)+I2(g)‎ ‎ 2 1 1‎ 起始浓度/mol·L－1 1 0 0‎ 变化浓度/mol·L－1： 0.2 0.1 0.1‎ 平衡浓度/mol·L－1： 0.8 0.1 0.1‎ 则H2(g)+I2(g)== 2HI(g)的平衡常数K==64mol/L。‎ 若开始时加入HI的量是原来的2倍，则建立的平衡状态和原平衡是等比平衡，HI、H2、I2 的物质的量、平衡浓度都是原来的两倍；各组分的百分含量、体积分数相等，平衡常数相等（因为温度不变）；因开始时的浓度增大了，反应速率加快，达平衡时间不可能是原来的两倍，故选b.‎ ‎（3）水的电离平衡为,硫酸电离出的对水的电离是抑制作用，当消耗了，减小，水的电离平衡向右移动；若加入,溶液变成的溶液了，不再生成H2；加入的会和反应，降低，反应速率减慢；的加入对反应速率无影响；加入CuSO4 后，与置换出的Cu构成原电池，加快了反应速率，选b.‎ ‎（4）根据反应方程式，生成1mol水时放出热量为：572kJ=286 kJ,故该电池的能量转化率为 答案：（1）c ‎（2）0.1 mol·L-1·min-1 ；64mol/L；b ‎（3）向右；b ‎（4）80%‎ ‎【例5】（16分）硼酸（H3BO3）在食品、医药领域应用广泛。‎ ‎(1)请完成B2H6气体与水反应的化学方程式：B2H6 + 6H2O=2H3BO3 +________。‎ ‎(2)在其他条件相同时，反应H3BO3 +3CH3OHB(OCH3)3 +3H2O中，H3BO 3的转化率（）在不同温度下随反应时间（t）的变化见图12，由此图可得出：‎ ‎①温度对应该反应的反应速率和平衡移动的影响是____ ___‎ ‎②该反应的_____0(填“<”、“=”或“>”).‎ ‎(3)H3BO 3溶液中存在如下反应：‎ H3BO 3（aq）+H2O（l） [B(OH)4]-( aq)+H+（aq）已知0.70 mol·L-1 H3BO 3溶液中，上述反应于298K达到平衡时，c平衡（H+）=2. 0 × 10-5mol·L-1，c平衡（H3BO 3）≈c起始（H3BO 3），水的电离可忽略不计，求此温度下该反应的平衡常数K（H2O的平衡浓度不列入K的表达式中，计算结果保留两位有效数字）‎ 解析：(1)根据元素守恒，产物只能是H2， 故方程式为B2H6 + 6H2O=2H3BO3 +6H2。‎ ‎(2)由图像可知，温度升高，H3BO 3的转化率增大，故升高温度是平衡正向移动，正反应是吸热反应，△H＞O。‎ ‎(3) K===‎ 答案：‎ ‎(1) B2H6 + 6H2O=2H3BO3 +6H2‎ ‎(2) ①升高温度，反应速率加快，平衡正向移动 ②△H＞O ‎(3) 或1.43‎ ‎【巩固练习1】(山东聊城三中2018届高三12月月考)在‎20L恒容的密闭容器中，加入3molSO3(g)和1mol氧气，在某温度下使其反应，反应至4min时，氧气的浓度为0.06mol/L，当反应到8min时，反应到达平衡。‎ ‎（1）0min—4min内生成O2的平均速率 v(O2)=________________‎ ‎（2）整个过程中，各物质的浓度与时间关系如图所示，则该温度下的平衡常数 K=_____________________‎ ‎（3）若起始时按下表数据投料，相同温度下达到平衡时，三氧化硫浓度大于0.05mol/L的是__________，此时的平衡常数与（2）小题比较_____________（填“大于”、“小于”或“等于”）‎ A B C D SO3‎ ‎1mol ‎3mol ‎3mol ‎0mol SO2‎ ‎2mol ‎1.5mol ‎0mol ‎6mol O2‎ ‎2mol ‎1mol ‎0mol ‎5mol ‎（4）物质的浓度不再改变标志该反应已达平衡，下列还可以说明该反应已达平衡的是_____（填序号）‎ ‎①体系内压强不再改变 ‎②容器内气体的密度不再改变 ‎③混合气体的平均分子量不再改变 ‎④‎ ‎⑤‎ 答案（1）‎ ‎ （2）‎ ‎ （3）BD， 等于 ‎ （4）①③④ ‎ ‎【巩固练习2】（福建省福州三中2018届高三上学期月考）‎2L容积不变的密闭容器中，加入1.0molA和2.2molB，进行如下反应：A（g）+2B（g）C（g）+D（g），在不同温度下，D的物质的量n（D）和时间t的关系如图 ‎ ‎ 试回答下列问题：‎ ‎ （1）‎800℃‎时。0—5min内，以B表示的平均反应速率为 。‎ ‎ （2）能判断该反应达到化学平衡状态的标志是 。‎ ‎ 　　A．容器压强不变 B．混合气体中c（A）不变 ‎ 　　C．2v正（B）=v逆（D） D．c（A）=c（C）‎ ‎ E. 混合气体密度不变 ‎ （3）利用图中数据计算‎800℃‎时的平衡常数K= ，B的平衡转化率为： 。该反应为 反应（填吸热或放热）。‎ ‎ （4）‎700℃‎时，另一‎2L容积不变的密闭容器中，测得某时刻各物质的量如下：n（A）=2.2mol，n（B）=5.2mol，n（C）=1.8mol，n（D）=1.8mol，则此时该反应 进行（填“向正反应方向”“向逆反应方向”或“处于平衡状态”）。‎ 答案（1）0.12mol·L—1·min—1‎ ‎ （2）AB（2分，漏一个扣1分，错选不得分）‎ ‎ （3）1.8（mol·L—1）—1（单位可不写）54.5％ 吸热 ‎ （4）向正反应方向