2.3 第4课时 化学平衡图像 学案（含答案） 2023-2024学年高二化学苏教版（2020）选择性必修第一册

2.3 第4课时　化学平衡图像
【学习目标】
1.认识化学反应速率、化学平衡典型图像。
2.学会化学平衡图像题的分析解答方法。
【合作探究】
任务1　化学平衡图像的类型及特点
【学习情境】
化学反应速率和化学平衡的有关理论具有一定的抽象性,运用各种图像能直观地反映可逆反应的变化规律及特点,能从定性和定量两个方面来分析和研究变化的因素、方向和限度。
【核心突破】
1.物质的量(浓度)—时间图像[n(c)-t图像]
在2 L密闭容器中,某一反应有关物质A(g)、B(g)、C(g)的物质的量变化如图所示。根据图像回答下列问题:
(1)该反应的化学方程式是　 。
(2)在反应进行到　　　　min时,反应达到了平衡。
2.速率—时间图像(v-t图像)
Ⅰ.正反应速率突变,逆反应速率渐变,v'正　　v'逆,说明是增大了　　　　　　　,使正反应速率突变,且平衡　　　移动。
Ⅱ.v正、v逆都是突然减小的,v'正　　　　v'逆,平衡　　　　移动,说明该反应的正反应可能是　　　反应或气体总体积　　　　的反应,改变的条件是　　　　或　　　　。
Ⅲ.v正、v逆都是突然增大的,并且v正、v逆增大程度相同,说明该化学平衡　　　移动,可能是使用了　　　　,也可能是对反应前后气体总体积不发生变化的反应增大压强(压缩体积)所致。
3.百分含量(或转化率)—时间—温度(或压强)图像
[以aA(g)+bB(g)cC(g)为例]
Ⅰ.T2　　T1,温度升高,平衡　　　移动,正反应是　　　　　反应。
Ⅱ.p2　　p1,压强增大,A(反应物)的转化率　　　,说明正反应是气体总体积　　　　的反应。
Ⅲ.生成物C的百分含量　　　,说明平衡　　　移动,但反应速率a　　b,故a可能使用了　　　　;若该反应是反应前后气体总体积不变的可逆反应,a也可能是增大了压强(压缩体积)。
4.百分含量(或转化率)—压强—温度图像
[以aA(g)+bB(g)cC(g)为例]
(1)T1为一条等温线,随着压强的增大,C%　　　,化学平衡　　　移动,a+b　　　　c。
(2)若T15.特殊图像
(1)对于反应aA(g)+bB(g)cC(g)+dD(g)　ΔH<0,M点前,表示化学反应从反应开始到建立平衡的过程,则v正　　v逆,M点为　　　　,M点后为平衡受温度的影响情况。
(2)其他条件不变时,某反应物的平衡转化率与温度的关系曲线如图所示。图中标出的1、2、3、4四个点,表示v正>v逆的是点　　　,表示v正【答案】1.(1)3A(g)+B(g)2C(g)　(2)2
2.Ⅰ.>　反应物的浓度　正向　Ⅱ.>　正向　放热　增大
降低温度　减小压强　Ⅲ.没有发生　催化剂
3.Ⅰ.>　逆向　放热　Ⅱ.>　减小　增大　Ⅲ.不变
不发生　>　催化剂　4.(1)减小　逆向　<　(2)增大
正向　吸热　5.(1)>　平衡点　(2)3　1　=
方法技巧
1.各物质的n或c不随时间变化时反应达到平衡状态,据起始量和平衡量求出转化量,各物质的转化量之比等于化学计量数之比,可以得出方程式中的化学计量数。
2.根据v'正、v'逆的相对大小,判断改变的条件:若一个“渐变”、一个“突变”,则改变的是浓度;若两个都发生了“突变”,则改变的是温度或压强;若两个都发生了“突变”且仍然相等,则是加入催化剂或气体总体积不变改变压强。
3.“先拐先平数值大”。在化学平衡图像中,先出现拐点的反应则先达到平衡,先出现拐点的曲线表示的温度较高、压强较大或使用了催化剂。
4.在化学平衡图像中,包括纵坐标、横坐标和曲线所表示的三个量。确定横坐标所表示的量,讨论纵坐标与曲线的关系,或者确定纵坐标所表示的量,讨论横坐标与曲线的关系,即“定一议二”。解题过程中,可以作辅助线帮助分析。
5.第5题(1)中图像,由于某一条件对平衡的影响只能向一个方向移动,所以最高点(最低点)及以后为平衡状态受条件的影响情况,前面为未达到平衡的情况。(2)中图像曲线上的点全为对应条件下的平衡点。
【核心突破】
典例1　对反应aA(g)+bB(g)cC(g)+dD(g)　ΔH,反应特点与对应的图像的说法不正确的是(　　)
A.图①中,若p1>p2,则a+b>c+d
B.图②中,若T2>T1,则ΔH<0且a+b=c+d
C.图③中,t1时刻改变的条件一定是使用了催化剂
D.图④中,若ΔH<0,则纵坐标不可能是反应物的转化率
【解析】图①中,温度升高,A%增大,说明平衡逆向移动,则正反应为放热反应;若p1>p2,p1时A%低于p2,说明压强增大,平衡正向移动,则反应前气体分子数大于反应后气体分子数,即a+b>c+d,A项正确。图②中压强增大,A的转化率不变,平衡不移动,则a+b=c+d;若T2>T1,升高温度,A的转化率降低,平衡逆向移动,则正反应为放热反应,ΔH<0,B项正确。图③中,t1时刻改变的条件可能是使用了催化剂,也可能是增大了压强(当a+b=c+d时),C项错误。图④中,T1>T2,若ΔH<0,升高温度,平衡逆向移动,反应物的转化率减小,则纵坐标不可能是反应物的转化率,D项正确。
【答案】C
典例2　根据下列图示所得出的结论正确的是(　　)
甲　　　乙
丙　丁
A.图甲表示反应2SO2+O22SO3的平衡常数K与温度的关系,说明该反应的ΔH<0
B.图乙是在不同温度下三个恒容容器中反应2H2(g)+CO(g)CH3OH(g)　ΔH<0的平衡曲线,曲线X对应的温度较高
C.图丙表示反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g)平衡时NH3体积分数随起始n(N2)/n(H2)变化的曲线,则转化率:αA(H2)=αB(H2)
D.图丁为两个1 L的恒容容器在不同的压强下各投入1 mol CH4和1 mol CO2发生反应CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g)的平衡曲线,N点化学平衡常数K=1
【解析】温度升高,平衡常数减小,说明正反应是放热反应,A项正确;在图中作任一垂线,与三曲线各有一交点,表明在反应物比例相同时,X曲线对应温度下CO平衡转化率较高,因反应的ΔH<0,故X曲线对应温度较低,B项错误;根据图像,随着n(N2)/n(H2)的增大,相当于增大N2的物质的量,平衡向正向移动,氢气转化率增大,因此αA(H2)<αB(H2),C项错误;化学平衡常数只与温度有关,N点的平衡常数可用M点计算,平衡时CH4(g)、CO2(g)的浓度都是0.5 mol·L-1,CO(g)、H2(g)的浓度都是1 mol·L-1,则K=4,D项错误。
【答案】A
归纳总结：解答化学平衡图像题四步骤
训练1　一定温度下将1 mol A和2 mol B置于2 L 密闭容器中,发生反应A(g)+B(g)C(g)+D(g),并达到平衡。C的体积分数随时间的变化曲线如图1所示,反应过程中的能量变化如图2所示(E1、E2均为正),下列说法不正确的是(　　)
图1
图2
A.达到平衡后,其他条件不变,降低温度,v正、v逆均减小,C的体积分数增大
B.该温度下,反应的平衡常数约为7.36
C.一段时间后,若气体的密度不变,则可以判断该反应已达到化学平衡状态
D.在上述反应体系中加入催化剂,化学反应速率增大,E1和E2均减小
【解析】根据题图2可知,该反应是放热反应,降低温度,正、逆反应速率均减小,平衡正向移动,C的体积分数增大,A项正确;4 s时反应达到平衡状态,则
　　　　　A(g)+B(g)C(g)+D(g)
起始/mol　　1　　2　　　　0　　0
转化/mol　　x　　x　　　　x　　x
平衡/mol　1-x　 2-x　 　x　　x
由题意得×100%=30%,解得x=0.9,则平衡常数K=≈7.36,B项正确;该反应是反应前后气体质量不变的反应,容器的体积不变,气体的密度始终不变,所以气体的密度不变不能说明反应已达到平衡状态,C项错误;加入催化剂可以降低反应的活化能,则E1和E2均减小,同时化学反应速率增大,D项正确。
【答案】C
训练2　可逆反应aA(g)+bB(g)cC(g)+dD(g)　ΔH,同时符合下列两图中曲线的是(　　)
图1 图2
A.a+b>c+d　T1>T2　ΔH>0
B.a+b>c+d　T1C.a+bT2　ΔH>0
D.a+b【解析】题图1中T2先达平衡,则T2>T1,T2→T1时,生成物浓度增大,说明温度降低平衡向正反应方向移动,则正反应为放热反应,ΔH<0;题图2中达平衡(v正=v逆)后增大压强,v正>v逆,说明平衡向正反应方向移动,则该反应的正反应为气体分子数减小的反应,a+b>c+d。
【答案】B
【随堂检测】
1.图中a曲线表示一定条件下可逆反应:X(g)+Y(g)2Z(g)+W(s)　ΔH<0的反应过程。若使a曲线变为b曲线,可采用的措施是(　　)
A.升高温度 B.增大Y的浓度 C.降低温度 D.缩小体积
【解析】根据图像分析,改变条件后,反应速率加快,但平衡不移动。升高温度,平衡逆向移动,A项错误;增大Y的浓度,平衡正向移动,B项错误;降低温度,平衡正向移动,C项错误;该反应为反应前后气体体积不变的反应,缩小体积,增大压强,反应速率加快,但平衡不移动,D项正确。
【答案】D
2.在容积可变的密闭容器中存在如下反应:CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)　ΔH<0,下列分析中不正确的是(　　)
A.图Ⅰ研究的是t0时升高温度对反应速率的影响
B.图Ⅱ研究的是t0时增大压强(缩小容积)或使用催化剂对反应速率的影响
C.图Ⅲ研究的是催化剂对化学平衡的影响,且甲使用了催化剂
D.图Ⅲ研究的是温度对化学平衡的影响,且乙的温度较高
【答案】C
3.向某恒容密闭容器中充入一定量CO2和H2,发生反应:CO2(g)+H2(g)HCOOH(g),测得平衡体系中CO2的物质的量分数与反应温度的关系如图所示。下列物理量中,a点大于b点的是(　　)
①正反应速率　②逆反应速率　③HCOOH(g)的浓度　④对应温度的平衡常数
A.①② B.①③ C.②④ D.③④
【解析】温度升高,反应速率增大,a点的正、逆反应速率都小于b点的正、逆反应速率,①②错误;温度升高,平衡体系中
CO2的物质的量分数增大,说明平衡逆向移动,正反应为放热反应,HCOOH(g)的浓度和对应温度时的平衡常数都将减小,即a点时HCOOH(g)的浓度和对应温度的平衡常数都大于b点,③④正确。
【答案】D
4.生产硫酸的主要反应:2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)　ΔH<0。图中L(L1、L2)、X可分别代表压强或温度。下列说法正确的是(　　)
A.X代表压强
B.L1>L2
C.A、B两点对应的平衡常数相同
D.一定温度下,当混合气中n(SO2)∶n(O2)∶n(SO3)=2∶1∶2时,反应一定达到平衡
【解析】正反应为放热反应,升高温度平衡逆向移动,SO2平衡转化率减小,则X表示温度,A项错误;正反应为气体体积减小的反应,增大压强平衡正向移动,转化率增大,L表示压强,且L1>L2,B项正确;A、B点温度不同,则平衡常数不同,C项错误;当混合气中n(SO2)∶n(O2)∶n(SO3)=2∶1∶2时,各物质的物质的量不一定不再变化,不能判定是否为平衡状态,D项错误。
【答案】B
2