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文档介绍
2021届高考化学一轮复习第7章化学反应速率化学平衡高考热点课5化学反应速率和化学平衡图像解题方法教学案新人教版
化学反应速率和化学平衡图像解题方法 命题分析:化学反应速率和化学平衡图像分析类试题是高考的热点题型,该类试题经常涉及的图像类型有含量—时间—温度(压强)图像、恒温、恒压曲线等,图像中蕴含着丰富的信息,具有简明、直观、形象的特点,命题形式灵活,难度不大,解题的关键是根据反应特点,明确反应条件,认真分析图像,充分挖掘蕴含的信息,紧扣化学原理,找准切入点解决问题。 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。 3.三步分析法 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。 速率变化图像 1.速率—时间图像“断点”分析 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。如图,t1时刻改变的条件可能是使用了催化剂或增大压强(仅适用于反应前后气体物质的量不变的反应)。 2.常见含“断点”的速率变化图像分析 - 22 - 图像 t1时刻所改变的条件 温度 升高 降低 升高 降低 适合正反应为放热的反应 适合正反应为吸热的反应 压强 增大 减小 增大 减小 适合正反应为气体物质的量增大的反应 适合正反应为气体物质的量减小的反应 [解析] ①设2 min时,反应x mol NO(g) NO(g)+O3(g)NO2(g)+O2(g) 起始(mol) 1 1 0 0 转化(mol) x x x x 平衡(mol) 1-x 1-x x x - 22 - v(NO)==0.21 mol·L-1· min-1,所以x=0.84 mol,则平衡时NO的转化率α1=0.84 mol÷1 mol×100%=84%;NO(g)+O3(g)NO2(g)+O2(g),由于这个反应是反应前后气体体积相等的反应,若其他条件保持不变,在恒压条件下进行,平衡不移动,则平衡时NO的转化率α2=α1。 ②NO(g)+O3(g)NO2(g)+O2(g) 2 min平衡(mol): 0.16 0.16 0.84 0.84 保持温度不变,向2 min后的平衡体系中再加入0.3 mol NO2和0.04 mol NO,根据平衡常数与浓度商的大小关系可知,平衡应该向逆反应方向移动。 [答案] ①84% = ②逆 ③升高温度(或增大生成物的浓度) 使用催化剂(或增大压强) > 对于反应2SO2(g)+O2(g)2SO3(g) ΔH<0已达平衡,如果其他条件不变时,分别改变下列条件,对化学反应速率和化学平衡产生影响,下列条件与图像不相符的是(O~t1:v正=v逆;t1时改变条件,t2时重新建立平衡)( ) 答案 C 解析 分析时要注意改变条件瞬间v正、v逆的变化。增加O2的浓度,v正增大,v逆瞬间不变,A正确;增大压强,v正、v逆都增大,v正增大的倍数大于v逆增大的倍数,B正确;升高温度,v正、v逆都瞬间增大,C错误;加入催化剂,v正、v逆同时同倍数增大,D正确。 物质的量(或浓度)—时间图像 将物质的量(或浓度)减少的物质作为反应物,将物质的量(或浓度)增加的物质作为产物;依据物质的转化量之比一定等于方程式系数比来确定化学方程式。如: 某温度时,在一个容积为2 L的密闭容器中,X、Y、Z三种物质的物质的量随时间的变化曲线如图所示。 则该反应的化学方程式为3X+Y2Z,前2 min内v(X)=0.075 mol·L-1·min-1。 - 22 - [解析] (1)反应达到平衡时,Δn(A)=2.0 mol-1.0 mol=1.0 mol, Δn(B)=6.0 mol-3.0 mol=3.0 mol, Δn(C)=2.0 mol-0 mol=2.0 mol,则Δn(A)∶Δn(B)∶Δn(C)=1.0 mol∶3.0 mol∶2.0 mol=1∶3∶2,即该反应的化学方程式为A+3B2C。 (2)vⅠ(A)==0.025 mol·L-1·min-1, vⅡ(A)=≈0.0127 mol·L-1·min-1 vⅢ(A)==0.006 mol·L-1·min-1。 - 22 - 故v1(C)=2v1(A)=0.05 mol·L-1·min-1。 [答案] (1)A+3B2C (2)vⅠ(A)>vⅡ(A)>vⅢ(A) (3)0.05 mol·L-1·min-1 (全国卷Ⅱ)在容积为1.00 L的容器中,通入一定量的N2O4,发生反应N2O4(g)2NO2(g),随温度升高,混合气体的颜色变深。 在0~60 s时段,反应速率v(N2O4)为________mol·L-1·s-1。 答案 0.0010 解析 由题图可知,0~60 s时段,N2O4的物质的量浓度变化为0.060 mol·L-1,v(N2O4)==0.0010 mol·L-1·s-1。 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] (1)“先拐先平,数值大”原则 分析反应由开始(起始物质相同时)达到平衡所用时间的长短可推知反应条件的变化。 ①若为温度变化引起,温度较高时,反应达平衡所需时间短。如甲中T2>T1。 ②若为压强变化引起,压强较大时,反应达平衡所需时间短。如乙中p1>p2。 ③使用催化剂时,反应达平衡所需时间短。如图丙中a使用催化剂。 (2)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,则正反应为气体分子数减小的反应。 - 22 - [解析] (1)根据题目表述,三氯氢硅和水蒸气反应得到(HSiO)2O,方程式为:2SiHCl3+3H2O===(HSiO)2O+6HCl。 (3)①温度越高反应速率越快,达到平衡用的时间就越少,所以由图可知,曲线a代表343 K的反应。从图中读出,达到平衡状态时反应的转化率为22%。设初始加入的三氯氢硅的浓度为1 mol·L-1,得到: 2SiHCl3(g)SiH2Cl2(g)+SiCl4(g) 起始(mol·L-1) 1 0 0 反应(mol·L-1) 0.22 0.11 0.11 - 22 - 平衡(mol·L-1) 0.78 0.11 0.11 所以平衡常数K=0.112÷0.782≈0.02。 ②温度不变,提高三氯氢硅转化率的方法可以是将产物从体系分离(两边气体体积相等,压强不影响平衡)。缩短达到平衡的时间,就是加快反应速率,所以可以采取的措施是提高反应物压强(浓度)、加入更高效的催化剂(改进催化剂)。 ③a、b两点的转化率相等,可以认为各物质的浓度对应相等,而a点的温度更高,所以反应速率更快,即va>vb。根据题目表述得到v正=k正x2SiHCl3,v逆=k逆xSiH2Cl2·xSiCl4,当反应达到平衡时v正=v逆,v正=k正x2SiHCl3=v逆=k逆xSiH2Cl2xSiCl4,所以=,实际就是平衡常数K值,所以=0.02。a处的转化率为20%,所以计算出: 2SiHCl3SiH2Cl2+SiCl4 起始(mol·L-1) 1 0 0 反应(mol·L-1) 0.2 0.1 0.1 a处时(mol·L-1) 0.8 0.1 0.1 所以xSiHCl3=0.8;xSiH2Cl2=xSiCl4=0.1;所以=×=0.02×≈1.3。 [答案] (1)2SiHCl3+3H2O===(HSiO)2O+6HCl (3)①22 0.02 ②及时移去产物 改进催化剂 提高反应物压强(浓度) ③大于 1.3 (2019·辽宁五校协作体高三联考)近几年我国大面积发生雾霾天气,其主要原因是SO2、NOx等发生二次转化,研究碳、氮、硫及其化合物的转化对环境的改善有重大意义。 (1)在一定条件下,CH4可与NOx反应除去NOx,已知: ①CH4(g)+2O2(g)===CO2(g)+2H2O(l)ΔH=-890.3 kJ·mol-1 ②N2(g)+2O2(g)2NO2(g)ΔH=+67.0 kJ·mol-1 ③H2O(g)===H2O(l) ΔH=-44.0 kJ·mol-1 则CH4(g)+2NO2(g)CO2(g)+2H2O(g)+N2(g) ΔH=________kJ·mol-1;该反应在________(填“高温”“低温”或“任何温度”)下可自发进行。 (2)SO2经过净化后与空气混合进行催化氧化可制取硫酸,其中SO2发生催化氧化的反应为:2SO2(g)+O2(g)2SO3(g) ΔH<0,在一定温度下的恒容容器中,能说明上述反应达到平衡状态的是________。 A.混合气体的密度不再发生变化 B.混合气体的平均摩尔质量不再发生变化 C.v(SO2)∶v(O2)∶v(SO3)=2∶1∶2 - 22 - D.混合气体的总物质的量不再发生变化 (3)若在T1 ℃下,往一恒容密闭容器中通入SO2和O2[其中n(SO2)∶n(O2)=2∶1],容器中总压强为0.1 MPa,反应过程中测得容器内总压强与反应时间的关系如图所示。 ①图中A点时,SO2的转化率为________。 ②在其他条件不变的情况下,测得T2 ℃时压强的变化曲线如图所示,则C点的正反应速率vC(正)与A点的逆反应速率vA(逆)的大小关系为vC(正)________(填“>”“<”或“=”)vA(逆)。 ③图中B点的平衡常数Kp=________。(Kp为压强平衡常数,用平衡分压代替平衡浓度计算,分压=总压×物质的量分数) (4)为了清除NO、NO2、N2O4对大气的污染,常采用氢氧化钠溶液进行吸收处理。现有由a mol NO、b mol NO2、c mol N2O4组成的混合气体,恰好被V L氢氧化钠溶液吸收(无气体剩余),则此氢氧化钠溶液的物质的量浓度最小为________。 答案 (1)-869.3 任何温度 (2)BD (3)①45% ②> ③24300(MPa)-1 (4) mol·L-1 解析 (1)该反应为ΔS>0、ΔH<0的反应,根据ΔH-TΔS<0时反应可自发进行,知该反应在任何温度下均能自发进行。 (3)①设起始加入SO2、O2的物质的量分别为2n和n,转化的SO2和O2的物质的量分别为2x和x,根据容器内总压强之比等于总物质的量之比,A点时有 =,解得x=0.45n,则SO2的转化率为×100%=45%。 ②随着反应的进行,逆反应速率逐渐增大,即vB(逆)>vA(逆),由题图可知,B点和C点时,反应均达到平衡状态,则B、C两点正、逆反应速率分别相等,再根据“先拐先平数值大”可判断T2 ℃>T1 ℃,温度越高,反应速率越大,则C点反应速率大于B点反应速率,即vC(逆)=vC(正)>vB(逆)>vA(逆)。 ③类似①中的计算,B点时,=,解得x=0.9n,则平衡时p(SO2)=×0.07 MPa=×0.07 MPa,同理可求出p(O2)=×0.07 MPa、p(SO3)=×0.07 MPa,则Kp==24300 (MPa)-1。 - 22 - (4)混合气体发生的反应有NO+NO2+2NaOH===2NaNO2+H2O、2NO2+2NaOH===NaNO3+NaNO2+H2O、N2O4+2NaOH===NaNO3+NaNO2+H2O,由题意可知混合气体完全与NaOH反应生成NaNO3、NaNO2,N元素全都转化为钠盐,全部吸收最少消耗NaOH(a+b+2c) mol,则NaOH溶液物质的量浓度最小为 mol·L-1。 转化率(或含量)—温度—压强图像 这类图像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。[以mA(g)+nB(g)xC(g)+qD(g)为例] m+n>x+q,ΔH>0 m+n<x+q,ΔH>0 m+n>x+q,ΔH<0 m+n>x+q,ΔH>0 m+n>x+q,ΔH>0 m+n<x+q,ΔH<0 1.“定一议二”原则:可通过分析相同温度下不同压强时反应物A的转化率(或C的含量)大小来判断平衡移动的方向,从而确定反应方程式中反应物与产物气体物质间的化学计量数的大小关系。 2.通过分析相同压强下不同温度时反应物A的转化率(或C的含量)的大小来判断平衡移动的方向,从而确定反应ΔH的正、负。 - 22 - [解析] 由图可知,随着温度升高甲烷的体积分数逐渐减小,说明升温平衡正向移动,则正反应为吸热反应,即焓变ΔH>0,A正确;增大水蒸气的物质的量,平衡正向移动,则的比值越大,甲烷的体积分数越小,故a<3 反应Ⅱ是气体物质的量减小的反应,温度一定时,增大压强使反应正向移动,H2SO4的物质的量增大,体系总物质的量减小,H2SO4的物质的量分数增大 (3)SO2 SO 4H+ (4)①0.4 ②I-是SO2歧化反应的催化剂,H+单独存在时不具有催化作用,但H+可以加快歧化反应速率 ③反应ⅱ比ⅰ快;D中由反应ⅱ产生的H+使反应ⅰ加快 解析 (2)在横坐标上任取一点,作纵坐标的平行线,可见温度相同时,p2时H2SO4物质的量分数大于p1时;反应Ⅱ是气体分子数减小的反应,增大压强平衡向正反应方向移动,H2SO4物质的量增加,体系总物质的量减小,H2SO4物质的量分数增大,则p2>p1。 - 22 - (3)反应Ⅱ的总反应为3SO2+2H2O===2H2SO4+S↓,I-可以作为水溶液中SO2歧化反应的催化剂,催化剂在反应前后质量和化学性质不变,(总反应-反应ⅰ)÷2得反应ⅱ的离子方程式为I2+2H2O+SO2===4H++SO+2I-。 (4)①B是A的对比实验,采用控制变量法,B比A多加了0.2 mol·L-1 H2SO4,A与B中KI浓度应相等,则a=0.4。 ②对比A与B,加入H+可以加快SO2歧化反应的速率;对比B与C,单独H+不能催化SO2的歧化反应;比较A、B、C,可得出的结论是:I-是SO2歧化反应的催化剂,H+单独存在时不具有催化作用,但H+可以加快歧化反应速率。 ③对比D和A,D中加入KI的浓度小于A,D中多加了I2,反应ⅰ消耗H+和I-,反应ⅱ中消耗I2,D中“溶液由棕褐色很快褪色,变成黄色,出现浑浊较A快”,反应速率D>A,由此可见,反应ⅱ比反应ⅰ速率快,反应ⅱ产生H+使c(H+)增大,从而使反应ⅰ加快。 几种特殊图像 1.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。图中交点A是平衡状态,压强继续增大,正反应速率增大得快,平衡正向移动。注:交点A之前增大p,只影响正、逆速率,A点之后增大p,既影响速率又影响平衡移动。 2.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。 3.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。 - 22 - 图1中左上方(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。 图2中,左下方(B点)α(A)小于此温度时平衡体系中的α(A),B点必须向正反应方向移动才能达到平衡状态,所以B点v正>v逆,则A点v正查看更多