2018届二轮复习化学反应速率及化学平衡图像的综合应用学案
化学反应速率及化学平衡图像的综合应用
[命题风向标]
化学图像题具有简明、直观、形象的特点，是近年来高考的热点题型。而多变量图像题还具有信息量大、可随意调控试题难度等特点，能够很全面地考查学生分析、比较、概括和归纳问题的能力，因此备受命题者青睐。化学反应速率及化学平衡的考查经常与图像相互结合，近年来屡屡出现在高考选择题和非选择题中。此类试题的主要特点有：
(1)图像在一个坐标系上有多个变化量，图像较为复杂；
(2)图像中隐含信息量大，对学生读图获取信息能力的要求较高；
(3)由于多变量的存在，要求学生会多角度、多层次去思考和探究问题，有效地考查了学生综合分析、推理判断的能力。
[提分策略]
1．图像类型归纳
(1)浓度时间图像[如A(g)＋B(g)AB(g)]
(2)含量时间温度(压强)图像(C%指某产物的质量分数，B%指某反应物的质量分数)
(3)恒压(或恒温)线图像(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，则正反应为气体体积增大的反应，ΔH<0。
(4)几种特殊图像
①对于化学反应mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g)，如图所示，M点前，表示从反应物开始，v正>v逆；M点为刚达到平衡点；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，故正反应的ΔH<0。
②对于化学反应mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g)，如图所示，L线上所有的点都是平衡点。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
0，反应过程中各物质的物质的量浓度(c)随时间(t)的变化曲线如图所示。
(1)该温度下，该反应的平衡常数为________，若温度升高，K值将________(填“增大”“减小”或“不变”)。
(2)a、b、c、d四个点中，表示化学反应处于平衡状态的是________点。从起点开始到首次达到平衡时间内，以NO2表示的反应速率为________。
(3)25 min时，加入了________(填加入物质的化学式及加入的物质的量)，
使平衡发生了移动。
(4)d点对应NO2的物质的量浓度________(填“大于”“小于”或“等于”)0.8 mol·L－1，理由是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
解析：(1)由题图可知，平衡时c(NO2)＝0.6 mol·L－1，c(N2O4)＝0.4 mol·L－1，故该温度下该反应的平衡常数K＝0.62/0.4＝0.9；升温，反应正向进行(正反应为吸热反应)，平衡常数增大。
(2)由题图知，a、b、c、d四点中只有b、d点处于平衡状态；v(NO2)＝(0.6 mol·L－1－0.2 mol·L－1)/10 min＝0.04 mol·L－1·min－1。
(3)利用25 mim后的物质的浓度变化可知在25 min时加入了NO2，其加入的物质的量＝(1.0 mol·L－1－0.6 mol·L－1)×2 L＝0.8 mol。
(4)假设平衡时二氧化氮的浓度为0.8 mol·L－1，则此时Q＝1.28>K＝0.9，平衡要逆向移动，使二氧化氮的浓度降低，所以平衡时二氧化氮的浓度小于0.8 mol·L－1。
答案：(1)0.9 增大 (2)b、d 0.04 mol·L－1·min－1
(3)0.8 mol NO2 (4)小于 假设平衡时二氧化氮的浓度为0.8 mol·L－1，则此时Q＝1.28>K＝0.9，平衡要逆向移动，使二氧化氮的浓度降低
2．工业上可由天然气为原料制备甲醇，也可由水煤气合成甲醇。
(1)已知：2CH4(g)＋O2(g)===2CO(g)＋4H2(g) ΔH＝a kJ/mol
CO(g)＋2H2(g)===CH3OH(g) ΔH＝b kJ/mol
试写出由CH4和O2制取甲醇的热化学方程式：________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(2)通过下列反应制备甲醇：CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)。图甲是反应时CO(g)和CH3OH(g)的浓度随时间t的变化情况。从反应开始到平衡，用CO表示平均反应速率v(CO)＝________，该反应的平衡常数表达式为K＝__________________。
(3)在一容积可变的密闭容器中充入10 mol CO和20 mol H2，CO的平衡转化率随温度(T)、压强(p)的变化如图乙所示。
①下列说法不能判断该反应达到化学平衡状态的是________(填字母)。
A．H2的消耗速率等于CH3OH的生成速率的2倍
B．H2的体积分数不再改变
C．体系中H2的转化率和CO的转化率相等
D．体系中气体的平均摩尔质量不再改变
②比较A、B两点压强大小pA________pB(填“＞”“＜”或“＝”)。
③若达到化学平衡状态A时，容器的体积为20 L。如果反应开始时仍充入10 mol CO和20 mol H2，则在平衡状态B时容器的体积V(B)＝________L。
解析：(1)已知①2CH4(g)＋O2(g)===2CO(g)＋4H2(g) ΔH＝a kJ/mol，②CO(g)＋2H2(g)===CH3OH(g) ΔH＝b kJ/mol，则根据盖斯定律可知①＋②×2可得到2CH4(g)＋O2(g)===2CH3OH(g) ΔH＝(a＋2b) kJ/mol。
(2)用甲醇表示的反应速率v＝0.75 mol/L÷10 min＝0.075 mol/(L·min)，CO表示的反应速率等于用甲醇表示的反应速率，即0.075 mol/(L·min)；化学平衡常数是在一定条件下，当可逆反应达到平衡状态时，生成物浓度的幂之积和反应物浓度的幂之积的比值，所以根据方程式可知平衡常数表达式为K＝。
(3)①A.氢气的消耗速率等于CH3OH的生成速率的2倍，不能说明正、逆反应速率相等，不一定平衡，A错误；B.氢气的体积分数不再改变是化学平衡的特征，达到了平衡，B正确；C.体系中氢气的转化率和CO的转化率相等，不能说明正、逆反应速率相等，不一定平衡，C错误；D.体系中气体的平均摩尔质量等于气体质量和物质的量的比值，物质的量变化，质量不变，所以当体系中气体的平均摩尔质量不再改变，证明达到了平衡，D正确，故选AC。
②正反应方向为气体体积减小的方向，T1℃时比较CO的转化率，转化率越大，则压强越大，图像中pB转化率大于pA，可知pA＜pB。
③利用A点可得平衡常数K＝＝4，温度不变，平衡常数不变。A、B两状态温度相同，即化学平衡常数相等，且B点时CO的转化率为0.8，
则 CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)
起始(mol): 10 20 0
转化(mol): 8 16 8
平衡(mol): 2 4 8
设体积为V L，则有K＝＝4，
解得V＝4，即V(B)＝4 L。
答案：(1)2CH4(g)＋O2(g)===2CH3OH(g) ΔH＝(a＋2b) kJ/mol
(2)0.075 mol/(L·min)
(3)①AC ②＜ ③4
题型二 陌生图像类的综合题
3．(1)将燃煤废气中的CO2转化为二甲醚的反应原理为
2CO2(g)＋6H2(g)CH3OCH3(g)＋3H2O(g)。
已知在压强为a MPa下，该反应在不同温度、不同投料比时，CO2的转化率如图：
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”)。
(2)采用一种新型催化剂(主要成分是CuMn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。
解析：(1)当投料比一定时，温度越高，CO2的转化率越低，所以升温，平衡左移，正反应为放热反应。平衡常数只与温度有关，不随投料比的变化而变化。
(2)由题图可知当催化剂中n(Mn)/n(Cu)约为2.0时，CO的转化率最大，生成的二甲醚最多。
答案：(1)放热 不变 (2)2.0
4．(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＝－270 kJ·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)目前，科学家正在研究一种以乙烯作为还原剂的脱硝(NO)原理，其脱硝机理示意图如图3，脱硝率与温度、负载率(分子筛中催化剂的质量分数)的关系如图4所示。
①写出该脱硝原理总反应的化学方程式：
________________________________________________________________________。
②为达到最佳脱硝效果，应采取的条件是
________________________________________________________________________。
(3)汽车使用乙醇汽油并不能减少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5所示。
若不使用CO，温度超过775 K，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，应控制的最佳温度范围为________。
答案：(1)①Fe2O3作催化剂时，在相对较低温度可获得较高的SO2转化率，从而节约能源 ②曲线a
(2)①6NO＋3O2＋2C2H43N2＋4CO2＋4H2O
②350 ℃、负载率3.0%
(3)NO分解反应是放热反应，升高温度不利于反应进行 850～900 K
