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1、第5课时化学反应速率与平衡图像1.了解温度、浓度、压强和催化剂对化学反应速率的影响。2.了解浓度、压强、温度对化学平衡状态的影响,并能运用浓度、压强、温度对化学平衡的影响规律,推测平衡移动方向及浓度、转化率等相关物理量的变化。常见图像分析1.速率时间(v-t)图像由图像变化分析外界条件对其影响,已知反应为mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g)H=Q kJmol-1。(1)“渐变”类v-t图像图像分析结论t1时v正突然增大,v逆逐渐增大;v正v逆,平衡向正反应方向移动t1时其他条件不变,增大反应物的浓度t1时v正突然减小,v逆逐渐减小;v逆v正,平衡向逆反应方向移动t1时其他条件不变,减小
2、反应物的浓度t1时v逆突然增大,v正逐渐增大;v逆v正,平衡向逆反应方向移动t1时其他条件不变,增大生成物的浓度t1时v逆突然减小,v正逐渐减小;v正v逆,平衡向正反应方向移动t1时其他条件不变,减小生成物的浓度(2)“断点”类v-t图像图像分析结论t1时v正、v逆均突然增大,且v正v逆;平衡向正反应方向进行t1时其他条件不变,增大反应体系的压强且m+np+q(正反应为体积减小的反应)t1时其他条件不变,升高温度且Q0(吸热反应)t1时v正、v逆均突然增大,且v逆v正;平衡向逆反应方向进行t1时其他条件不变,增大反应体系的压强且m+np+q(正反应为体积增大的反应)t1时其他条件不变,升高温度
3、且Qv逆;平衡向正反应方向进行t1时其他条件不变,减小反应体系的压强且m+np+q(正反应为体积增大的反应)t1时其他条件不变,降低温度且Qv正;平衡向逆反应方向进行t1时其他条件不变,减小反应体系的压强且m+np+q(正反应为体积减小的反应)t1时其他条件不变,降低温度且Q0(吸热反应)(3)“平台”类v-t图像图像分析结论t1时v正、v逆均突然增大且v正=v逆,平衡不移动t1时其他条件不变,使用催化剂t1时其他条件不变,增大反应体系的压强且m+n=p+q(反应前后气体体积无变化)t1时v正、v逆均突然减小且v正=v逆,平衡不移动t1时其他条件不变,减小反应体系的压强且m+n=p+q(反应前
4、后气体体积无变化)2.含量时间温度(压强)图像常见图像形式有如下几种。其中C%指生成物的百分含量,B%指反应物的百分含量。 表示不同条件下,反应达到平衡的时间快慢、反应速率的快慢以及平衡混合物中某物质的百分含量的关系,解题方法是“先拐先平,数值大”,即曲线先出现拐点的首先达到平衡,反应速率快,表示温度较高、有催化剂、压强较大等,再依据外界条件对平衡的影响分析判断反应的热效应及反应前后气体体积的变化。3.转化率(或质量分数)与压强温度图像(1)恒压线图像 表示两个外界条件同时变化时,反应物A的转化率变化情况,解决这类图像一般采用“定一议二”的方法,即把自变量(温度、压强)之一设为恒量,讨论另外两
5、个变量的关系。如图1中,当压强相等(任意一条等压线)时,升高温度,A的转化率增大,说明升高温度平衡正向移动,即正反应为吸热反应。当温度相等时,在图1中作直线,与三条等压线交于三点,这三点自下而上为增大压强,A的转化率增大,说明增大压强平衡正向移动,即正反应为气体体积减小的反应。(2)恒温线图像 图3中,当温度相等(任意一条等温线)时,增大压强,A的转化率增大,说明增大压强平衡正向移动,即正反应是气体体积减小的反应。当压强相等时,在图3中作直线,与两条等温线交于两点,这两点自下而上为降低温度,A的转化率增大,说明降低温度平衡正向移动,即正反应为放热反应。理解辨析1.想一想 (1)根据下列图像分析
6、化学反应:mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g)是吸热反应还是放热反应。提示:M点前,表示从反应开始,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Hv(逆);同理L线的下方(F点)满足v(正)v(逆)。2.做一做密闭容器中发生反应:A(g)+3B(g)2C(g)H0,根据vt图像,回答下列问题。(1)下列时刻所改变的外界条件是t1;t3;t4。(2)反应速率最快的时间段是。(3)下列措施能增大正反应速率的是(填字母)。A.通入A(g)B.分离出C(g)C.降温D.增大容器容积答案:(1)升高温度加入催化剂减
7、小压强(2)t3t4(3)A 速率(浓度)-时间图像1.(双选)(2021日照校际联合考试)反应X2Z经历两步:XY;Y2Z。反应体系中X、Y、Z的浓度c随时间t的变化曲线如图所示。下列说法错误的是(BD)A.曲线c为c(Y)随t的变化曲线B.0t1s内,反应速率v(X)=v(Y)=v(Z)C.t2s时,Y的消耗速率大于生成速率D.t3s后,c(Z)=2c0 molL-1解析:反应X2Z经历两步XY;Y2Z,根据图中的c0减小,则曲线a为X的浓度曲线,逐渐增大的曲线b为Z的浓度曲线,先增大后减小的曲线c为Y的浓度曲线,故A正确;曲线的斜率表示反应速率,根据图像,0t1s内,v(Y)v(Z),故
8、B错误;t2 s时,曲线c表示的Y的浓度逐渐减小,说明Y的消耗速率大于生成速率,故C正确;根据图像,t3 s后仍存在Y,没有X,假设Y的剩余浓度为c(Y),由XY可知X完全转化为Y时,Y的浓度为c0 molL-1,根据Y2Z,生成的c(Z)=2c0 molL-1-2c(Y),故D错误。2.对于反应2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)H0D.图丁表示密闭容器中 CH4(g) + H2O(g)CO(g) + 3H2(g)达到平衡时,CH4的转化率与压强、温度的变化关系曲线,说明 p1p2解析:镁条与盐酸的反应是放热反应,开始反应时温度升高,速率加快,随着反应进行,浓度逐渐降低,速率的影响以浓度
9、为主,导致速率下降,但反应继续进行,温度继续升高,所以t1 s时溶液的温度不是最高,故A错误;t1s二氧化碳的浓度瞬间升高,然后逐渐降低,可能是缩小容器的体积,故B正确;由图可知,达到平衡后,继续升温,二氧化氮的含量增加,说明升温逆向进行,则该反应的H0,故C错误;由图可知,在温度相同的情况下,增大压强,平衡逆向进行,甲烷的转化率减小,则p2时甲烷的转化率低,压强大,即p1p2,故D错误。4.(双选)(2021山东百师联盟联考)在恒容、NH3和NO的起始浓度一定的条件下,分别以VWTi/AC0、VWTi/AC10、VWTi/AC50、VWTi/AC70为催化剂,发生反应4NH3(g)+6NO(
10、g)5N2(g)+6H2O(g)H350 之后NO转化率降低的可能原因是有副反应的发生C.图中X点所示条件下,增加NH3浓度不能提高NO转化率D.250 时K=1 024,若起始时充入c(NH3)=c(NO)=c(N2)=1 molL-1,c(H2O)=2 molL-1,则v正v逆解析:催化剂不会影响平衡转化率,温度高于400 ,同温度使用其他催化剂,NO转化率比VWTi/AC0高,说明温度高于400 , WTi/AC0催化下曲线上对应的点均不是该温度下的平衡点,A项错误;根据题干信息结合图像,温度升高有副产物N2O生成,则VWTi/AC50在T350 之后NO转化率降低的可能原因为有副反应的
11、发生,B项正确;X点增加NH3浓度,反应正向进行的程度增大,能提高NO转化率,C项错误;250 时K=1 024,若起始时充入c(NH3)=c(NO)=c(N2)=1 molL-1,c(H2O)=2 molL-1,Q=c5(N2)c6(H2O)c4(NH3)c6(NO)=64v逆,D项正确。创新型图像分析1.转化率(脱除率)温度图像典例1 研究发现利用NH3可消除硝酸工业尾气中的NO污染。NH3与NO的物质的量之比分别为13、31、41时,NO脱除率随温度变化的曲线如图所示。(1)曲线a中,NO的起始浓度为610-4 mgm-3,从A点到B点经过0.8 s,该时间段内NO的脱除速率为mgm-3
12、s-1。(2)曲线b对应的NH3与NO的物质的量之比是,其理由是。解析:(1)从A点到B点的浓度变化为(0.75-0.55)610-4 mgm-3=1.210-4 mgm-3,脱除速率为1.210-4mgm-30.8 s=1.510-4 mgm-3s-1。(2)根据勒夏特列原理,NH3与NO的物质的量之比越大,NH3的量越多,促使平衡向正反应方向移动,NO的脱除率越大,再根据图像,可推得曲线b对应的NH3与NO的物质的量之比为31。答案:(1)1.510-4(2)31NH3与NO的物质的量之比越大,NH3的量就越多,促使平衡向正反应方向移动,NO的脱除率越大典例2 汽车使用乙醇汽油并不能减少N
13、Ox的排放,某研究小组在实验室以耐高温试剂Ag-ZSW-5催化,测得NO转化为N2的转化率随温度变化情况如图所示。(1)在n(NO)n(CO)=1条件下,最佳温度应控制在左右。(2)若不使用CO,温度超过775 K,发现NO的分解率降低,其可能的原因为。(3)用平衡移动原理解释加入CO后NO转化为N2的转化率增大的原因:。解析:(1)由图可知,在n(NO)n(CO)=1条件下,温度控制在870 K左右时NO还原为N2的转化率接近100%。(2)由于该反应放热,温度超过775 K,反应向逆反应方向进行,导致NO的分解率降低。(3)加入的CO会与NO的分解产物O2发生反应,促进NO分解平衡向生成N
14、2的方向移动,导致NO的转化率升高。答案:(1)870 K(860880 K范围内都可以)(2)NO直接分解成N2的反应放热,升高温度,反应向逆反应方向进行(3)加入的CO会与NO的分解产物O2发生反应,促进NO分解平衡向生成N2的方向移动,导致NO的转化率升高2.产率(转化率)催化剂图像典例3采用一种新型的催化剂(主要成分是CuMn合金),利用CO和H2制备二甲醚(CH3OCH3)。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
15、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: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:2.0典例4 以二氧化钛表面覆盖Cu2Al2O4为催化剂,可以将CO2和CH4直接转化成乙酸。在不同温度下催化剂的催化效率与乙酸的生成速率如图所示。250300 时,温度升高而乙酸的生成速率降低的原因是。解析:在两条曲线中注意弄清每条曲线所表示的含义,分析两个量之间内在的联系。这里涉及影响反应速率的两个因素为催化剂和温度,弄清影响因素即可。所以250300 时,温度升高而乙酸的生成速率迅速降低的原因是温度超过250 时,催化剂
16、的催化效率降低。答案:温度超过250 时,催化剂的催化效率降低1.(2021江苏盐城三模)在常压、Ru/TiO2催化下,CO2和H2混合气体(体积比14)进行反应,测得CO2转化率、CH4和CO的选择性(即CO2转化生成CH4或CO的百分比)随温度变化如图所示。反应:CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(g)H1反应:CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)H2下列说法正确的是(D)A.H1、H2都小于零B.改变压强,对CO产量没有影响C.反应 的平衡常数可表示为K=c(CH4)c(CO2)c4(H2)D.为提高CH4的选择性,可采用控制反应温度、调节压强等措施解析:由图可
17、知,温度高于400 时,升高温度,CH4的选择性减小,即反应的CO2转化率下降,平衡逆向移动,所以反应的H1小于零,升高温度,CO的选择性增加,即反应的CO2转化率上升,平衡正向移动,所以反应的H2大于零,故A错误;若增大压强,反应正向移动,CO2的浓度减小,对反应而言,反应物浓度减小,平衡逆向移动,则CO产量减少,故B错误;水是气态的,有浓度变化,反应的平衡常数可表示为K=c(CH4)c2(H2O)c(CO2)c4(H2),故C错误;由图可知,温度高于400 时CH4的选择性降低,反应是气体分子数减小的反应,增大压强平衡正向移动,则降低温度、增大压强可提高CH4的选择性,故D正确。2.(20
18、21江苏泰州联考)在体积为1 L的恒容容器中,用CO2和H2合成甲醇:CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g) +H2O(g) H。 相同时间内不同的温度下,将1 mol CO2和3 mol H2在反应器中反应,测定CH3OH的产率与温度的关系如图所示。下列说法正确的是(D)A.图中X点v(正)v(逆)B.图中P点所示条件下,延长反应时间不能提高CH3OH的产率C.该反应的H0D.520 K下,X点所对应甲醇的产率为50%,则平衡常数K=427解析:已知随着温度的升高,反应达到平衡时时间会缩短,故最高点左边,反应均未达到平衡,最高点右边,反应均处于平衡状态,X点v(正)=v(逆),A项错误;
19、P点所示的条件下,反应还未达到平衡状态,延长时间可以提高甲醇的产率,B项错误;由题图分析得,该反应为放热反应,C项错误;X点所对应的反应处于平衡状态,根据题给信息可列出三段式,CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)初始/(mol/L)1300变化/(mol/L)0.51.50.50.5平衡/(mol/L)0.51.50.50.5 容器体积为1 L,故平衡常数K=c(CH3OH)c(H2O)c(CO2)c3(H2)=427,D项正确。3.如图是在一定时间内,使用不同催化剂Mn和Cr在不同温度下对应的脱氮率,由图可知工业使用的最佳催化剂为、相应温度为;使用Mn作催化剂时,脱氮率b
20、a段呈现如图变化的可能原因是。答案:Mn200 左右ba段,开始温度较低,催化剂活性较低,脱氮反应速率较慢,反应还未达到平衡,随着温度升高反应速率增大,一定时间参与反应的氮氧化物变多,导致脱氮率逐渐增大4.在一定条件下,向恒容密闭容器中充入1.0 mol CO2和3.0 mol H2,在一定温度范围内发生如下转化:CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)H=-x kJmol-1(x0)。在不同催化剂作用下,相同时间内CO2的平衡转化率随温度的变化如图所示。(1)催化效果最佳的是催化剂(填“”“”或“”);b点v正(填“”“(2)该反应为放热反应,升高温度,平衡逆向移动1.(20
21、20天津卷,16节选)用H2还原CO2可以在一定条件下合成CH3OH(不考虑副反应)CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)H0(1)某温度下,恒容密闭容器中,CO2和H2的起始浓度分别为a molL-1和3a molL-1,反应平衡时,CH3OH的产率为b,该温度下反应平衡常数的值为。(2)恒压下,CO2和H2的起始物质的量比为13时,该反应在无分子筛膜时甲醇的平衡产率和有分子筛膜时甲醇的产率随温度的变化如图所示,其中分子筛膜能选择性分离出H2O。甲醇平衡产率随温度升高而降低的原因为。P点甲醇产率高于T点的原因为。根据上图,在此条件下采用该分子筛膜时的最佳反应温度为。解析:(
22、1)恒温恒容条件下进行反应,平衡时,CH3OH的产率为b,则反应物转化率为b,按“三段式”法计算,CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)起始浓度/(molL-1)a3a00转化浓度/(molL-1)ab3ababab平衡浓度/(molL-1)a(1-b)3a(1-b)abab则该温度下反应平衡常数K=c(CH3OH)c(H2O)c(CO2)c3(H2)=b227a2(1-b)4。(2)图中有分子筛膜时,P点甲醇产率最大,达到平衡状态,P点后甲醇的产率降低,其原因是合成甲醇的反应为放热反应,升高温度,平衡逆向移动,甲醇产率降低。P点有分子筛膜,T点无分子筛膜,而分子筛膜能选择性
23、分离出H2O,使平衡正向移动,提高甲醇的产率。由题图可知,当有分子筛膜,温度为210 时,甲醇产率最大,故该分子筛膜的最佳反应温度为210 答案:(1)b227a2(1-b)4(2)该反应为放热反应,温度升高,平衡逆向移动分子筛膜从反应体系中不断分离出产物H2O,有利于反应正向进行,甲醇产率升高2102.(2021山东卷,20) 2-甲氧基-2-甲基丁烷(TAME)常用作汽油原添加剂。在催化剂作用下,可通过甲醇与烯烃的液相反应制得,体系中同时存在如图反应:回答下列问题:(1)反应、以物质的量分数表示的平衡常数Kx与温度T变化关系如图所示。据图判断,A和B中相对稳定的是(用系统命名法命名);H1
24、H2的数值范围是(填标号)。A.1(2)为研究上述反应体系的平衡关系,向某反应容器中加入1.0 mol TAME,控制温度为353 K,测得TAME的平衡转化率为。已知反应的平衡常数Kx3=9.0,则平衡体系中B的物质的量为 mol,反应的平衡常数Kx1=。同温同压下,再向该容器中注入惰性溶剂四氢呋喃稀释,反应的化学平衡将(填“正向移动”“逆向移动”或“不移动”),平衡时,A与CH3OH物质的量浓度之比c(A)c(CH3OH)=。(3)为研究反应体系的动力学行为,向盛有四氢呋喃的另一容器中加入一定量A、B和CH3OH。控制温度为353 K,A、B物质的量浓度c随反应时间t的变化如图所示。代表B
25、的变化曲线为(填“X”或“Y”);t=100 s时,反应的正反应速率v正逆反应速率v逆(填“”“”或“=”)。解析:(1)由平衡常数Kx与温度T变化关系曲线可知,反应、的平衡常数的自然对数随温度升高(要注意横坐标为温度的倒数)而减小,说明3个反应均为放热反应,即H10、H20、H30,因此,B的总能量低于A的总能量,能量越低越稳定,A和B中相对稳定的是B,其用系统命名法命名为2-甲基-2-丁烯;由盖斯定律可知,-=,则H1-H2=H30,因此H19,因此,反应正在向逆反应方向移动,故其正反应速率v正小于逆反应速率v逆。答案:(1)2-甲基-2-丁烯D(2)0.910(1-2)2逆向移动110(
26、3)X3.(2020全国卷,28)二氧化碳催化加氢合成乙烯是综合利用CO2的热点研究领域。回答下列问题:(1)CO2催化加氢生成乙烯和水的反应中,产物的物质的量之比n(C2H4)n(H2O)=。当反应达到平衡时,若增大压强,则n(C2H4)(填“变大”“变小”或“不变”)。(2)理论计算表明,原料初始组成n(CO2)n(H2)=13,在体系压强为0.1 MPa,反应达到平衡时,四种组分的物质的量分数x随温度T的变化如图所示。图中,表示C2H4、CO2变化的曲线分别是、。CO2催化加氢合成C2H4反应的H0(填“大于”或“小于”)。(3)根据图中点A(440 K,0.39),计算该温度时反应的平
27、衡常数Kp=(MPa)-3(列出计算式。以分压表示,分压=总压物质的量分数)。(4)二氧化碳催化加氢合成乙烯反应往往伴随副反应,生成C3H6、C3H8、C4H8等低碳烃。一定温度和压强条件下,为了提高反应速率和乙烯选择性,应当。解析:(1)CO2催化加氢生成乙烯和水的化学方程式为2CO2(g)+6H2(g) C2H4(g)+4H2O(g),产物的物质的量之比n(C2H4)n(H2O)=14,该反应是气体体积减小的反应,增大压强平衡右移,则n(C2H4)变大。(2)由平衡图像知,390 K时四种组分的物质的量分数之比满足13的是曲线c和曲线a,物质的量分数之比满足14的是曲线d和曲线b,结合反应
28、的化学方程式2CO2(g)+6H2(g)C2H4(g)+4H2O(g)和原始投料n(CO2)n(H2)=13可得,曲线c表示CO2,曲线a表示H2,曲线d表示C2H4,曲线b表示H2O;由图像的变化趋势可知,升高温度,曲线a、c增大,曲线b、d减小,说明平衡左移,所以正反应放热,H0。(3)起始投料比n(CO2)n(H2)=13,平衡时总压为0.1 MPa,结合反应的化学方程式可知p(CO2)p(H2)=13,p(C2H4)p(H2O)=14,由图像可知p(H2)=p(H2O)=0.1 0.39 MPa,所以p(CO2)=0.130.39 MPa,p(C2H4)=0.140.39 MPa,则该温度下的平衡常数Kp=p(C2H4)p4(H2O)p2(CO2)p6(H2)=9410.0393(MPa)-3。(4)在一定温度和压强下,为了提高反应速率和乙烯的选择性,减少副反应的发生,应当选择合适催化剂等。答案:(1)14变大(2)dc小于(3)9410.0393(4)选择合适催化剂等