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化学平衡图像专题
&&高二选修4化学平衡图像,浓度、温度、压强对化学平衡移动的影响
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化学平衡图像39956
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化学平衡图像专题解析
2010 年化学平衡图像专题解析牢固掌握有关的概念与原理，尤其要注意：外界条件的改变对一个可逆反应来讲，正逆 反应速率如何变化，化学平衡如何移动，在速度―时间图、转化率―时间图、反应物的含量 ―浓度图等上如何体现。要能够画出有关的变化图像。 一、对于化学反应速率的有关图像问题，可按以下的方法进行分析： (1)认清坐标系，搞清纵、横坐标所代表的意义，并与有关的原理挂钩。
(2)看清起点，分清反应物、生成物，浓度减小的是反应物，浓度增大的是生成物；一般 生成物多数以原点为起点。 (3)抓住变化趋势，分清正、逆反应，吸、放热反应。升高温度时，v(吸)＞v(放)，在速率 一时间图上，要注意看清曲线是连续的还是跳跃的，分清渐变和突变，大变和小变。例如， 升高温度时，v(吸)大增，v(放)小增；增大反应物浓度时，v(正)突变，v(逆)渐变。 (4)注意终点。例如在浓度一时间图上，一定要看清终点时反应物的消耗量、生成物的增 加量，并结合有关原理进行推理判断。 (1)速率― (1)速率―时间的曲线 速率 在一定时间内反应物、 反应 2NO2(g)→2NO(g)+O2(g)在一定时间内反应物、 → 在一定时间内反应物 产物浓度的变化曲线。 产物浓度的变化曲线。 反应物随反应进行浓度在不断减小， 反应物随反应进行浓度在不断减小，生成物浓度却 在不断增加。 在不断增加。 瞬时速率 浓度随时间的变化率。 瞬时速率――浓度随时间的变化率。 浓度随时间的变化率 瞬时速率只能用作图的方法得到， 瞬时速率只能用作图的方法得到，VV正 V逆T（温度） （温度）图1图2图3看图 3：说出反应起始时是从正反应；还是从逆反应开始？化学平衡向什么方向移动？ ：说出反应起始时是从正反应；还是从逆反应开始？化学平衡向什么方向移动？ 逆同时反应开始。 平衡向正反应方向移动。 答：正、逆同时反应开始。 平衡向正反应方向移动。(2)化学反应过程中能量的变化 (2)化学反应过程中能量的变化 * 例如， 例如， A + B-C → [AE? B E? C] → A-B + C E 反应物 活化络合物 产物 (始态 始态) (过渡态 过渡态) (终态 终态) 始态 过渡态 终态 过渡状态又叫活化络合物（ 过渡状态又叫活化络合物（activated complex） ）催化剂对反应速率的影响： 催化剂对反应速率的影响：通过改变反应途径以缩短达到平衡的时间 幂函数性质： 指数幂ak底数 y 随 x 的增大而减小如： y1.4 1 0.7 Oy=x?1 2y = xa（a&1） ） 性质：y 的数值 有一定的限度。y性质：y 的数值 爆炸性减小。0.512xOxyy 随 x 的增大而增大 y性质：y 的数值 爆炸性增长。1y = xa（0&a&1） ） 性质：y 的数值 有一定的限度。O12xOx二、对于化学平衡的有关图像问题，可按以下的方法进行分析： (1)认清坐标系，搞清纵、横坐标所代表的意义，并与勒夏特列原理挂钩。 (2)紧扣可逆反应的特征，看清正反应方向是吸热还是放热、体积增大还是减小、不变、 有无固体、纯液体物质参加或生成等。(3)看清速率的变化及变化量的大小，在条件与变化之间搭桥。 (4)看清起点、拐点、终点，看清曲线的变化趋势。 (5)先拐先平。例如，在转化率一时间图上，先出现拐点的曲线先达到平衡，此时逆向推 理可得该变化的温度高、浓度大、压强高。 (6)定一议二。当图象中有三个量时，先确定一个量不变再讨论另外两个量的关系。 对于反应 mA(气) + nB(气)P pC(气)+qD(气) △H＝QKJ/mol 气 气 气 气 ＝ （1）转化率－时间（2）含量－时间图先出现拐点的反应先达到平衡，斜率大的曲线表示的温度或压强等数值较大 出现拐点的反应先达到平 斜率大的曲线表示的温度或压强等数值较 数值 实例 1：(2007 年上海卷)一定条件下，在体积为 3 L 的 密 闭 容 器中 ， 一氧 化 碳与 氢 气 反应 生 成甲 醇 (催化 剂 为 n(甲醇)/mol 曲线A 300 ℃ Cu2O/ZnO)：CO(g)＋2H2(g) CH3OH(g) n(A) C D n(B) 实例 2： (2007 年山东理综)SO2 曲线B 500 ℃ α 催化氧化生成 SO3： 0.85 B0.80 AE2SO2(g)＋O2(g)0.50 p/MPa催化剂 △2SO3(g)0t(B)t(A) t/min0.10某温度下，SO2 的平衡转化率(α )与体系总压强(p)的关系如图所示。实例 3： （08 四川卷）在密闭的容器中进行如下的反应：H2(g)＋I2(g) 碘 T1 和 T2 时，产物的量与时间的关系如下图所示，符合图象的正 化 氢 确的判断是( ) 的 量 A．T1＞T2，△H＞0 B．T1＞T2，△H＜0 C．T1＜T2，△H＞0 D．T1＜T2，△H＜0 实例 4： 上海卷） 2L 密闭容器中， （08 在 800℃时反应 2NO(g) ＋O2(g) 2NO2(g)体系中，n(NO)随时间的变化如表：时间（s） n(NO) (mol) 0 0.020 1 0.010 2 0.008 3 0.007 4 0.007 5 0.0072HI(g)，在温度T1 T2时间右图中表示 NO2 的变化的曲线是 __b____。 实例 5： （2000 上海卷）二氧化氮在加热条件下能 够分解成一氧化氮和氧气。该反应进行到 45 秒时，达 － 到平衡（NO2 浓度约为 0.0125mol?L 1） 。反应至 70 秒的 反应进程曲线。 若在反应开始时加入催化剂 （其他条件都不变） 图 ， 上虚线画出加催化剂后的反应进程曲线。浓 浓 （ mol/L) 0.045 0.040 0.0400.035 0.030 0.025 0.020 0.015 0.010 0.005 0.000 0.031二二二二二浓浓二时时二二二0.025 0.021 0.018 0.0160 510 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 时 时 （ s）（3）转化率－温度－压强图A 转 化 率等压线 转 300°C ° 200°C ° 100°C °等温线化0T1.01×107Pa 1.01×106Pa 1.01×105Pa 温度率0P压强m+n & p+qQ& 0m+n & p+qQ& 0三、平衡移动：是一个“平衡状态→不平衡状态→新的平衡状态”的过程。一定条件下的平 衡体系，条件改变后，可能发生平衡移动。即总结如下： 若反应速率不变（ 有气体） 若反应速率不变（如 积不变时 入 有气体）改 变 条 件速 率 改 变程度相同 v 正 ＝v 逆使用催化剂 气体体积不变的反应改变压强 浓度变化 压强变化 温度变化平衡不移动程度不同 v 正 ≠v 逆平衡移动注意：加快化学反应速率可以缩短到达化学平衡的时间，但不一定能使平衡发生移动。 四、化学平衡的计算 有关化学平衡计算的一般解题模式：化学平衡计算的基本模式：平衡“三步曲” 例： mA + nB b nx b-nx pC + qD 0 px px 0 qx qx起始量： a 转化量： mx 平衡量：a-mx注意：转化量与方程式中各物质的系数成比例； 这里 a、b 可指：物质的量、浓度、体积等。 弄清起始浓度、平衡浓度、平衡常数和转化率四者 之间的互换关系，并列出下面图解。例题：已知起始浓度和转化率，求平衡常数。 解：以图解为思路，进行分析： （1）先根据起始浓度和转化率，求平衡浓度。 （2）再利用平衡浓度，求平衡常数。练习： 练习： 1. 下列各图是温度（或压强）对应 2A(s) + 2B(g) 2C(g) + D(g)；△H&0 的正、逆反应速率 ）的影响，曲线交点表示建立平衡时的温度或压强，其中正确的是（t A Bt Cp Dp1. 曲线交点表示建立平衡时的温度或压强，升高温度，增加压强，V 正、V 逆均增大，B 中 V 逆， D 中 V 正、V 逆走向均减小，则 B、D 均错；可逆反应 2A(s) + 2B(g) 2C(g) + D(g)；△H&0的正反应是一个气体体积增大的吸热反应，则升高温度，向正反应方向移动， 故 V 正& V 逆；增加压强，向逆反应方向移动，故 V 正&V 逆。可见答案为 A、C。2. 1 mol A 气体和 n mol B 气体，按下式反应生成气体 C：A(g) + n B(g)m C(g)，一段时间后测得 A 的转化率为 50%，反应前气体的密度在同温同压下是反应后 3/4，则 n 和 m 的数 值可能是 ( ) B．n=2，m=2 C．n=3，m=2 D．n=2，m=3ρ1 M 1 = ，又由 ρ2 M 2A．n=1，m=12. 在同温同压条件下，气体的密度之比将等于(平均)相对分子质量之比。即ρ1 M 1 n 2 = = M1 n 2 于气体物质反应前后的总质量不变，即 M1n1=M2n2，即 = 。因此 ρ 2 M 2 n 1 。 M 2 n1A(g) + 起始量(mol) 变化量(mol) 平衡量(mol) 1 0.5 0.5nB(g) n 0.5n 0.5nmC(g) 0 0.5m 0.5m由ρ1 n 2 3 0.5(1 + a + b) 得 = ，整理可得：a + 1 = 2b，将 A、B、C、D 四个选项代入，可 = ρ2 n1 4 (1 + a )得 A、D 符合题意。 答案： 答案：AD 方法探究：本题的一个关健就是要知道密度比在等温等压时等于相对分子质量之比。推 方法探究： 导过程如下： 由理想气体气态方程 pV=nRT 及 n = 量)得： pV =m (m 为气体的质量， 为气体的相对分子质 M Mρ M m m RT 。移项，pV= RT ，即 pV = ρRT 。因此，在 T、p 相同时，有 1 = 1 。 M V ρ2 M 23． T℃时，在 1L 密闭容器中 A 气体与 B 气体反应生成 C 气体。反应过程中 A、B、C 浓度变 化如图 I 所示；若保持其他条件不变，温度分别为 Tl 和 T2 时，B 的体积百分含量与时间的 关系如图Ⅱ所示。则下列结论正确的是 ( )A．在达平衡后，保持其他条件不变，增大压强，平衡向正反应方向移动 B．在达平衡后，保持压强不变，通入稀有气体，平衡向正反应方向移动 C．保持其他条件不变，若反应开始时 A、B、C 的浓度分别为 0.4mo1?L-1、0.5 mo1?L-1 和 0.2 mo1?L―1，则达到平衡后，C 的浓度大于 0.4 mo1?L-1 D．保持其他条件不变，升高温度，正、逆反应速率均增大，且 A 的转化率增大 3．由Ⅰ图可知发生反应：A + 3B 2C，压强增大，平衡向正反应方向移动；保持压强不变，通入稀有气体，体积增大，平衡向体积增大的方向移动，平衡向逆反应方向移动；完 全转化为 A、B 相当于 0.5 mo1?L-1，0.8 mo1?L-1，增加了 B 的浓度，平衡向正正反应方向移 动，C 的浓度增大；升高温度，正逆反应速率均增大，平衡向吸热方向移动，由Ⅱ可知逆 反应吸热， 的转化率降低。 ，A4. 一定温度下，有可逆反应：2A(g)＋2B(g)C(g)＋3D(g)；ΔH＜0。现将 2 mol A 和 2 mol B充入体积为 V 的甲容器，将 2 mol C 和 6 mol D 充入乙容器并使乙容器在反应开始前的体 积为 2V(如图 1)。图1图2关于两容器中反应的说法正确的是()A．甲容器中的反应先达到化学平衡状态 B．两容器中的反应均达平衡时，平衡混合物中各组份的体积百分组成相同，混合气体的 平均相对分子质量也相同 C．两容器达平衡后升高相同的温度，两容器中物质 D 的体积分数随温度变化如图 2 所示 D．在甲容器中再充入 2 mol A 和 2 mol B，平衡后甲中物质 C 的浓度是乙中物质 C 的浓度的 2倍 4．BD 本题的关健是气体体积相等的反应。5. 对 2SO2＋O22SO3 △H&0 的反应，在 T1 时达到平衡，此时升高温度，化学平衡发生移动，在 T2 时建立新的平衡，画出 V 正、V 逆的变化情况。反 应 速 率0 5. 答案T1T2温度6. 将 2mol H2O 和 2mol CO 置于 1L 容器中，在一定条件下， 加热至高温，发生如下可逆反应： 2H2O(g) 2H2＋O2、2CO＋O2 2CO2(1)当上述系统达到平衡时，欲求其混合气体的平衡组成，则至少还需要知道两种气体的 平衡浓度，但这两种气体不能同时是_________和_________，或_________和_________。(填 它们的分子式) (2)若平衡时 O2 和 CO2 的物质的量分别为： n(O2)平＝amol， n(CO2)平＝bmol。试求 n(H2O)平＝__________。(用含 a、b 的代数式表示)6. (1)根据 C、H 元素守恒：n(H2O)平+n(H2)平=2mol；n(CO)平+n(CO2)平=2mol 显然 n(H2O)平和 n(H2)平或 n(CO)平和 n(CO2)平，只要知道其中一个，另一个也就确定，同时知 道两个是没有意义的。 (2)根据 n(O2)平和 n(CO2)平求 n(H2O)平有以下三种方法： ①三步法：第一步反应生成的 O2 的平衡量看作第二步反应的 O2 的起始量 2H2O(g) 起始量(mol) 变化量(mol) 2 x 2H2 ＋ O2 0 x x 0 0.5x 0.5x 2CO ＋ 2 y 2-y O2 0.5x 0.5y 0.5x-0.5y y y 2CO2 0平衡量(mol) 2-x 可得 0.5x C 0.5y = a；y = b算得 x = 2a + b，n(H2O)平＝ 2-x = (2－2a－b) mol。 ②逐步逆推法：因为第二个反应的反应物 O2 是第一个反应的生成物，所以可以从第二个 反应消耗 O2 的量逆推出第一个反应生成 O2 的量，进而推出第一个反应消耗的 H2O 的量。 第二个反应生成 bmol CO2，说明第二个反应消耗 0.5bmol 的 O2，所以第一个反应生成 (a+0.5b)mol 的 O2，第一个反应消耗(2a+b) molH2O，得 n(H2O)平＝(2－2a－b) mol。 ③元素守恒法：根据起始和平衡时体系 中 H、C 、O 三种元素原子个数不变列式求解。 由 H 元素守恒：n(H2O)平+n(H2)平=2mol 由 C 元素守恒：n(CO)平+n(CO2)平=2mol 由 O 元素守恒：n(H2O)平+ n(CO)平+2n(CO2)平=4mol 代入数据解得：n(H2O)平＝(2－2a－b) mol。 答案： 答案：(1)H2O、H2，CO、CO2 (2)(2－2a－b) mol 方法探究： 方法探究：所谓多重平衡是指同一容器中连续发生两个或多个可逆反应，这些可逆反应 既有联系，又相互制约，并同时建立平衡。 多重平衡体系中，有些物质既是一个反应的生成物，又是另一个反应的反应物(如例题中的 O2)，是多重平衡体系的枢纽，正是这种物质联系并制约了两个可逆反应，它平衡时的量是计 算的核心。解答多重平衡的计算问题时，运用元素守恒原理，可以从整体上把握各种物质的 量的关系，建立简明的关系式。 7．如图所示，将 4mol SO2 和 2 mol O2 混合置于体积可变的等压容器中，在一定温度下发生反 应 2SO2 + O2 2SO3(放热反应)，该反应达到平衡状态 A 时，测得气体总的物质的量为 4.2 mol， SO2、 2 的起始物质的量分别用 a、 若 O b、 c 表示，试回答： (1)达到平衡状态 A 的容器中通入少量 O2，体系中 SO2 的体积分数将_________，若要使 SO2 的体积分数再变至与原平衡状态 A 相同，可采用的措施有____________或___________。 (2)若起始时 a = 1.2mol，b = 0.6mol，且达到平衡后各气体的体积分数与平衡状态 A 相同，则起始时 c 的取值为_____________ (3)若起始时 a = 0.6mol，c = 4.8mol，则 b = _________，在此情况下，反应起始时将向 __________方向进行， (4)若原平衡状态 A 是在恒温恒容下达到的，现要使反应开始时向逆方向进行，且达到 的 平衡状态与 A 相同，则起始时 C 的取值范围为_____________。 7． 这是恒温恒压条件下的等效平衡问题，由题意可计算出达到平衡状态 A 时其中含 SO2 0.4mol，O2 0.2mol，SO3 3.6mol，n(SO2)∶n(O2)∶N(SO3) = 2∶1∶18。 (1)因平衡右移，故 SO2 的体积分数减小，在恒压条件下，要使 SO2 的体积分数复原，可采 取的措施有加热和加入少量 SO2 气体。 (2)由于 SO2 和 O2 反应只生成 SO3 一种物质，所以在恒温恒压下只要满足 以了，对 SO3 没有用量限制，即 c≥0。 (3)因a =2，这一条件必须满足，显然 b = 0.3mol；由于此时 a∶b∶c = 2∶1∶16 较平衡 bn (SO 2 ) = 2 就可 n (O 2 )状态 A，SO3 的含量低，因此反应起始时将向正反应方向进行。 (4)是关于恒温恒容下的等效平衡的，按照“一边倒“原则，4 mol SO2 和 2 mol O2 可折合成 4 mol SO3，故 c≤4mol，另外，由于原平衡状态 A 中含 SO3 3.6 mol，欲使反应开始时向逆反应方 向进行，故 c＞3.6 mol，因此 c 的取值范围为 3.6mol＜c≤4mol。8．向体积不变的密闭容器中充入 2 mol N2 和 6 mol H2，一定条件下发生反应： N2（气）+ 3 H2（气） 2 NH3（气） ，平衡时混合气共 7 mol。令 a、b、c 分别代表 N2、H2、NH3 起始加入的物质的量，维持温度不变，使达到平衡时各成分的百分含量不变．则： ①若 a＝0，b＝0，则 c＝ ②若 a＝0.7，b＝2.1，则： I．c＝ 。 Ⅱ．这时反应向 进行。 。 。 。Ⅲ．若要维持反应开始向该反应方向进行，c 的范围是 ③欲使起始反应维持向与②相反的方向进行，则 b 的范围是 8． ①4 ② I 2.6 Ⅱ 逆反应 Ⅲ 1＜c≤4③ 4.5＜b≤6解析：②：符合题设条件的各起始量之差应与反应式中相应系数成比例。 解析： I． 起始 条件 N2（气）+ 3 H2（气）P 2 NH3（气） 2 0.7 ≡ 0.7＋ 6 2.1c ＝2， 20 c ∴c＝2.6Ⅱ．题设条件平衡时共 7 mol 气体，而②小题起始量才 5.4 mol（0.7＋2.1＋2.6） ，所以起 始方向向逆反应进行。 Ⅲ．从三个极限起始量考虑，即 N2 转化率等于 0 时，2 mol N2、6 mol H2、NH3＝0；N2 转化率等于 100％时，N2＝0、H2＝0、NH3＝4 mol；现求平衡时各成分的物质的量 N2（气）+ 3 H2（气）P 2 NH3（气） 2 x 2－x 6 3x 6－3x 0 2x 2x依题意： （2－x）+（6－3x）+ 2x = 7，x = 0.5 所以平衡时，n(N2)＝1.5 mol、(H2)＝4.5 mol、(NH3)＝1 mol 将三个极限起始量加以分析对比： N2（气）+ 3 H2（气） P 2 NH3（气） 2 1.5 0 6 4.5 0 0 （N2 转化率为 0 时起始量） 1 （平衡量为起始量） 4 （N2 转化率为 100％时起始量）可以看出，为了维持反应开始向逆反应进行，NH3 的起始范围是 1＜c≤4 ③同理，为了维持反应开始向正反应进行，H2 的起始范围是 4.5＜b≤6。 9． （2007 年山东省临沂期末题）在一固定容积的密闭容器中,进行如下化学反应: CO2(g)+H2(g) P CO(g)+H2O(g) △H=QKJ/mol 其化学平衡常数 K 和温度 t 的关系如下： t℃ K 请回答: (1)上述反应中 Q 0 (选填“&”或“&”) . d.. 的质量分数不变 700 0.6 800 0.9 850 1.0
(2)能判断该反应已达到化学平衡状态的依据是 a.容器中压强不变 b 反应热不变c.v 正(H2) =V 逆(CO)(3)温度为 850 时,可逆反应 CO(g)+H2O(g) 容器内物质的浓度变化如下表:CO2(g)+H2(g)在固定容积的密闭容器中进行,850℃时物质的浓度(mol/L)的变化 时间(min) 0 2 3 4 5 6 CO 0.200 0.138 C1 C1 0.116 0.096 H2O O.300 0.238 C2 C2 0.216 0.266 CO2 0 0.062 C3 C3 0.084 0.104 mol/L，H2O (g)的转化率= ． (单选)表 H2 0 0.062 C3 C3①计算：3 min 时(CO 的浓度) C1 =②反应在４min～５min 之间,平衡向逆反应方向移动,可能的原因是 中 5min～6min 之间数值发生变化, 可能的原因是 (单选)a . 增加水蒸气 9．(1)＞ (2) c db. 降低温度 (3) 0.08c. 使用催化剂 d. 增加氢气浓度 40% (4) d a解析：该题构思新颖，综合性较强。平衡常数的用途：判断反应吸热还是放热；判断反 应是否达到平衡；用于计算 (1)从表中数据可知，温度升高，K 增大，平衡向正反应反向移动，即 Q 〉0 (3)首先判断第 3 4 分钟反应已处于平衡状态，注意此时的 K 为第一个表格中 K 的倒数， 建立模式进行求算10．在一定温度下，向一固定容积的密闭容器中加入 1mol A 和 2mol B，发生下述反应： ．．．． A(g)+2B(g) 3C(g)+2D(s)(放热反应)。达到平衡时生成了 1.8 mol C。⑴在相同条件下，若向该容器中改为加入 0.3mol A、0.6 mol B，要使平衡混合气体中 C 物 质的体积分数与原平衡的相同，在 D 足量时，则还应加入 mol 的物质 C。⑵若维持容器的体积和温度不变，反应从逆反应方向开始，按不同的配比作为起始物质， 达到平衡时 C 仍为 1.8 mol 。则 D 的起始物质的量 n(D)应满足的条件是：n(D) 当改变温度或压强时，有可能改变物质的聚集状态，对平衡产生重大影响。 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． ⑶若升高平衡体系温度，当再次达到平衡后，测得两次平衡条件下混合气体的平均相对 分子质量未发生改变，试解释形成这种结果的可能原因是： ；此时 A、B、C、D 四种物质相对分子质量之间的关系为 （用 Mr(A)、Mr(B)、Mr(C)、Mr(D)表示） 。 ⑷若将容器改为容积可变的容器，在一定温度和常压下，建立上述平衡之后，A 的物质的 ．．．． 量浓度为 a mol/L。现持续增大压强，当： ①当压强为原来 1.5 倍时，A 的平衡时物质的量浓度为 m mol/L，测得 m=1.5a； ②当压强为原来 10 倍时，A 的平衡时物质的量浓度为 n mol/L，测得 n &10 a； ③当压强为原来 100 倍时，A 的平衡时物质的量浓度为 p mol/L，测得 p&100a。 试解释形成这种结果的可能的原因： ①1.5 倍时： ②10 倍时： ③100 倍时： 10．⑴任意 ⑵n（D）＞0.8 ； ； 。 。⑶当升高到一定温度以后，D 渐渐转化为气态 Mr(A)+2Mr(B)==3Mr(C)+2Mr(D) ⑷①气体物质两边的化学计量数相等，增大压强不改变平衡状态。 ②B 渐渐转化为非气态，增大压强平衡向左移动。 ③C 渐渐转化为非气态，增大压强平衡再次向右移动。}