专题研究 6 化学反应速率和化学平衡图像
1．图像的分类与特征
根据横坐标的不同含义把图像分为两大类，这两类图像的特征分别如下。
(1)时间(t)类
①图像中总有一个转折点，这个点所对应的时间是达到平衡所需的时间，根据时间的长短可确定化学反应速率的大小，结合浓度、温度、压强对化学反应速率的影响规律，可确定浓度的大小、温度的高低或压强的大小。
②图像中总有一段或几段平行于横轴的直线，直线上的点表示可逆反应处于平衡状态。
③直线的相对位置可确定化学平衡移动的方向，固定其他条件不变，若是因温度升降引起的平衡移动，则可确定可逆反应是吸热还是放热的； 若是因压强增减引起的平衡移动，可确定在可逆反应中，气态反应物的化学计量数之和与气态生成物的化学计量数之和之间的相对大小。
(2)反应条件类——压强(p)或温度(T)类
①图像几乎均为曲线。
②在不限定相同反应时间的前提下，曲线上的点表示可逆反应在相应压强或温度下处于平衡状态； 而不在曲线上的点表示可逆反应在相应压强或温度下未达到平衡状态，但能自发进行至平衡状态。
③平衡曲线的相对位置、 变化趋势决定了化学平衡移动的方向。固定其他条件不变，若是温度变化引起的平衡移动，即可确定可逆反应是吸热还是放热的； 若是因压强改变引起的平衡移动，即可确定在可逆反应中，气态反应物的化学计量数之和与气态生成物的化学计量数之和之间的相对大小。
2．常用分析方法
(1)先拐先平
在时间类曲线中，不同条件下先出现拐点的曲线先达到平衡，它所代表的压强大、温度高。对于反应mA(g)＋nB(g)??xC(g)＋yD(g) ΔH，这时若转化率增高，则反应中m＋n>x＋y或ΔH>0，若转化率降低，则反应中m＋n(2)定一议二
在以反应条件作为横轴的图像中，要先确定一个量不变(常作等温线或等压线)，再讨论另外几个量的关系(因平衡移动原理只适用于“单因素”的改变)。
识记规律：先拐先平，拐点平衡；高温高压，平衡先达；定一议二，线上平衡。
3．图像出现峰值的讨论模型
(1)以时间为横轴的图像中，反应过程中速率先增大后减小模型的分析。
①“先增大”的原因可能有a.反应放热，使反应温度升高；b.反应产物可作催化剂；c.反应消耗或生成了酸碱，改变了环境的酸碱性。
②“后减小”的原因一般是随着反应的进行，反应物浓度减小。
(2)平衡转化率或产率出现先增大后减小的原因可能有：
①使用催化剂时，温度升高，催化剂的活性和选择性下降。
②没有使用催化剂时，温度升高，副反应增多，甚至反应物因分解而消耗，没有转化为指定的产物。
(3)限定反应时间相同，非平衡转化率和平衡转化率出现峰值的讨论。
对于恒容绝热容器(不与外界交换能量)或持续加热的放热反应(ΔH<0)，平衡转化率随着温度的升高而下降，若每隔一段时间测反应的转化率，得到一个先增大后减小的图像，则达到峰值之前是非平衡转化率，峰值之后是平衡转化率。
分析时，要抓住反应中温度在不断升高这个条件，且是经过相同的时间段进行测定，因此决定前后两段变化的主要因素不同：①开始一段时间，未达到平衡，升高温度反应速率增大，非平衡状态下的转化率逐渐增加；②一段时间后反应达到平衡，升高温度平衡向吸热反应方向移动，平衡转化率降低。
若正反应是吸热反应(ΔH>0)，随着温度的升高，反应速率增大，达到平衡需要的时间缩短，故在限定时间时，非平衡状态下的转化率也逐渐增大，且向平衡转化率逼近。
(4)多因素影响问题的思维模型：若有多个因素同时对结果有影响，则需比较这几个因素对结果是正相关还是负相关以及哪一个因素起主导作用，最后由起主导作用的因素决定结果。当多个因素导致图像呈现峰值，则需要考虑前一阶段是多个因素协同增强，后一个阶段则是多个因素相互制约或协同减弱。
考向1| 根据图像判断转化率和平衡常数
1．甲醇水蒸气催化重整是当前制取清洁能源氢气的主要方法，其反应方程式为CH3OH(g)＋H2O(g)??CO2(g)＋3H2(g) ΔH>0。将一定量的甲醇气体和水蒸气混合反应，a、b、c、d对应四种不同催化剂。测得在300 ℃、320 ℃、340 ℃和360 ℃温度下，反应4 h甲醇转化率变化如图所示。在使用催化剂b时，保持反应温度为340 ℃，反应4 h甲醇的转化率为90%，判断依据是该反应为吸热反应，温度升高，CH3OH转化率增大，则T2代表温度为340 ℃，由图可得转化率为90%。
考向2| 根据图像判断控制条件
2．研究表明，甲醇水蒸气重整反应[CH3OH(g)＋H2O(g)??CO2(g)＋3H2(g)]速率表达式为v＝kp0.26(CH3OH)p0.03(H2O)p－0.2(H2)，k随温度升高而增大。反应体系中水醇比影响催化剂活性，进而影响甲醇转化率和产氢速率，如图所示。提高重整反应速率的合理措施为__________________________________________
_______________________________。
解析：由题图可知，水醇比为1.2时重整反应速率最大，再根据甲醇水蒸气重整反应速率表达式v＝kp0.26(CH3OH)p0.03(H2O)p－0.2(H2)可知，反应速率与甲醇和水蒸气的分压成正比，与H2的分压成反比，故可采取措施为选择水醇比为1.2，及时分离出H2。
答案：选择水醇比为1.2，及时分离出H2
考向3| 根据图像选择最佳反应条件
3．二甲醚催化重整制氢的反应过程，主要包括以下几个反应(以下数据为25 ℃、1.01×105 Pa下测定)：
Ⅰ：CH3OCH3(g)＋H2O(l)??2CH3OH(l)ΔH＞0
Ⅱ：CH3OH(l)＋H2O(l)??CO2(g)＋3H2(g)
ΔH＞0
Ⅲ：CO(g)＋H2O(l)??CO2(g)＋H2(g)ΔH＜0
Ⅳ：CH3OH(l)??CO(g)＋2H2(g) ΔH＞0
工业生产中测得不同温度下各组分体积分数及二甲醚转化率的关系如图所示：
你认为反应控制的最佳温度应为______(填标号)。
A．300～350 ℃ B．350～400 ℃
C．400～450 ℃ D．450～500 ℃
解析：由图1可看出在T＞400 ℃时，二甲醚的体积分数很小，而H2的含量较高，CO2、CO的含量较低且变化趋势不再明显，再由图2可看出到达450 ℃时，二甲醚的转化率已达到很高，升高温度变化不明显，综合图1、图2和现实生产中的成本分析，温度应控制在400～450 ℃最合适。
答案：C
考向4| 根据图像分析平衡的移动
4．甲烷水蒸气重整反应体系中主要存在的化学方程式有
反应1：CH4(g)＋H2O(g)===CO(g)＋3H2(g)
ΔH1＝＋206 kJ·mol－1
反应2：CH4(g)＋2H2O(g)??CO2(g)＋4H2(g) ΔH2
反应3：CO(g)＋H2O(g)??CO2(g)＋H2(g)
ΔH3＝－41 kJ·mol－1
保持容器容积和投料量不变，分别在1 MPa和5 MPa下进行上述反应，测得容器中CO和CH4的含量随温度的变化如图所示。
5 MPa时，表示CO和CH4平衡组成随温度变化关系的曲线分别是________和________。X点平衡组成含量高于Y点的原因是___________________________
____________________________________________________。
解析：保持容器容积和投料量不变，分别在1 MPa和5 MPa 下进行题述反应，由于反应1为吸热反应，反应2为吸热反应(ΔH2＝ΔH1＋ΔH3＝＋165 kJ·mol－1)，反应3为放热反应，所以升高温度，CH4的含量降低，CO的含量增多，在同温条件下，增大压强，反应1和2均向逆反应方向移动，所以CH4含量增多，CO含量降低，所以 5 MPa 时，表示CO平衡组成随温度变化关系的曲线为d，CH4平衡组成随温度变化关系的曲线为a；压强相同条件下，升高温度，反应1向正反应方向移动，反应3向逆反应方向移动，但反应的影响程度更大，所以CO含量增多。
答案：d a 压强相同条件下，升高温度，反应1向正反应方向移动，反应3向逆反应方向移动，但反应的影响程度更大，所以CO含量增多
考向5| 图像出现峰值
5．CH4与CO2重整是CO2利用的研究热点之一。该重整反应体系有以下反应：
Ⅰ.CO2(g)＋CH4(g)??2CO(g)＋2H2(g)ΔH1
Ⅱ.CO2(g)＋H2(g)??CO(g)＋H2O(g)ΔH2＝＋41.2 kJ·mol－1
Ⅲ.CH4(g)??C(s)＋2H2(g) ΔH3(只在高温下自发进行)
在p MPa时，将CO2和CH4按物质的量之比为1∶1充入密闭容器中发生反应Ⅰ，分别在无催化剂和ZrO2催化下反应相同时间，所得CO2的转化率、催化剂活性与温度的关系如图所示。
(1)a点CO2转化率相等的原因是_________________________________________
_______________________________________________________________________________________________________________。
(2)在900 ℃、ZrO2催化条件下，将CO2、CH4、H2O按物质的量之比为1∶1∶n充入密闭容器中，CO2的平衡转化率大于50%，原因是______________________
_____________________________________________________________________________________________________________________________。
解析：(1)a点时，有ZrO2催化与无催化剂时CO2的转化率相同，说明催化剂已无催化活性。(2)压强恒定时，充入水蒸气，反应Ⅰ平衡右移，CO2的平衡转化率大于50%。
答案：(1)催化剂失活 (2)压强恒定时，充入水蒸气，平衡右移，CO2的平衡转化率大于50%
解答化学反应速率与平衡图像题的思维流程
第一步：通过读图识图获取有用信息
在依据化学反应原理中反应速率和平衡移动知识解读图像的基础上，还需要进行如下思考：
明标 明确横、纵坐标的含义，用变量的观点分析坐标，找出横、纵坐标的关系，再联想相应的已学化学知识
找点 找出曲线中的起点、拐点、终点、交叉点、平衡点等，分析这些点的意义及主要影响因素有哪些
析线 正确分析曲线的变化趋势(上升、下降、平缓、转折等)，同时对走势有转折变化的曲线要分段分析，研究各段曲线变化趋势及其含义
第二步：在获取图像信息的基础上加工进行解题(对图像信息加工处理的角度如图所示)(共29张PPT)
专题六 化学反应速率 化学平衡
专题研究 6 化学反应速率和化学平衡图像
1．图像的分类与特征
根据横坐标的不同含义把图像分为两大类，这两类图像的特征分别如下。
(1)时间(t)类
①图像中总有一个转折点，这个点所对应的时间是达到平衡所需的时间，根据时间的长短可确定化学反应速率的大小，结合浓度、温度、压强对化学反应速率的影响规律，可确定浓度的大小、温度的高低或压强的大小。
②图像中总有一段或几段平行于横轴的直线，直线上的点表示可逆反应处于平衡状态。
③直线的相对位置可确定化学平衡移动的方向，固定其他条件不变，若是因温度升降引起的平衡移动，则可确定可逆反应是吸热还是放热的； 若是因压强增减引起的平衡移动，可确定在可逆反应中，气态反应物的化学计量数之和与气态生成物的化学计量数之和之间的相对大小。
(2)反应条件类——压强(p)或温度(T)类
①图像几乎均为曲线。
②在不限定相同反应时间的前提下，曲线上的点表示可逆反应在相应压强或温度下处于平衡状态； 而不在曲线上的点表示可逆反应在相应压强或温度下未达到平衡状态，但能自发进行至平衡状态。
③平衡曲线的相对位置、 变化趋势决定了化学平衡移动的方向。固定其他条件不变，若是温度变化引起的平衡移动，即可确定可逆反应是吸热还是放热的； 若是因压强改变引起的平衡移动，即可确定在可逆反应中，气态反应物的化学计量数之和与气态生成物的化学计量数之和之间的相对大小。
2．常用分析方法
(1)先拐先平
在时间类曲线中，不同条件下先出现拐点的曲线先达到平衡，它所代表的压强大、温度高。对于反应mA(g)＋nB(g)??xC(g)＋yD(g) ΔH，这时若转化率增高，则反应中m＋n>x＋y或ΔH>0，若转化率降低，则反应中m＋n(2)定一议二
在以反应条件作为横轴的图像中，要先确定一个量不变(常作等温线或等压线)，再讨论另外几个量的关系(因平衡移动原理只适用于“单因素”的改变)。
识记规律：先拐先平，拐点平衡；高温高压，平衡先达；定一议二，线上平衡。
3．图像出现峰值的讨论模型
(1)以时间为横轴的图像中，反应过程中速率先增大后减小模型的分析。
①“先增大”的原因可能有a.反应放热，使反应温度升高；b.反应产物可作催化剂；c.反应消耗或生成了酸碱，改变了环境的酸碱性。
②“后减小”的原因一般是随着反应的进行，反应物浓度减小。
(2)平衡转化率或产率出现先增大后减小的原因可能有：
①使用催化剂时，温度升高，催化剂的活性和选择性下降。
②没有使用催化剂时，温度升高，副反应增多，甚至反应物因分解而消耗，没有转化为指定的产物。
(3)限定反应时间相同，非平衡转化率和平衡转化率出现峰值的讨论。
对于恒容绝热容器(不与外界交换能量)或持续加热的放热反应(ΔH<0)，平衡转化率随着温度的升高而下降，若每隔一段时间测反应的转化率，得到一个先增大后减小的图像，则达到峰值之前是非平衡转化率，峰值之后是平衡转化率。
分析时，要抓住反应中温度在不断升高这个条件，且是经过相同的时间段进行测定，因此决定前后两段变化的主要因素不同：①开始一段时间，未达到平衡，升高温度反应速率增大，非平衡状态下的转化率逐渐增加；②一段时间后反应达到平衡，升高温度平衡向吸热反应方向移动，平衡转化率降低。
若正反应是吸热反应(ΔH>0)，随着温度的升高，反应速率增大，达到平衡需要的时间缩短，故在限定时间时，非平衡状态下的转化率也逐渐增大，且向平衡转化率逼近。
(4)多因素影响问题的思维模型：若有多个因素同时对结果有影响，则需比较这几个因素对结果是正相关还是负相关以及哪一个因素起主导作用，最后由起主导作用的因素决定结果。当多个因素导致图像呈现峰值，则需要考虑前一阶段是多个因素协同增强，后一个阶段则是多个因素相互制约或协同减弱。
90%
该反应为吸热反应，温度升高，
CH3OH转化率增大，则T2代表温度为340 ℃，由图可得转化率为90%
考向2| 根据图像判断控制条件
2．研究表明，甲醇水蒸气重整反应[CH3OH(g)＋H2O(g)??CO2(g)＋3H2(g)]速率表达式为v＝kp0.26(CH3OH)p0.03(H2O)p－0.2(H2)，k随温度升高而增大。反应体系中水醇比影响催化剂活性，进而影响甲醇转化率和产氢速率，如图所示。提高重整反应速率的合理措施为
_______________________________。
解析：由题图可知，水醇比为1.2时重整反应速率最大，再根据甲醇水蒸气重整反应速率表达式v＝kp0.26(CH3OH)p0.03(H2O)p－0.2(H2)可知，反应速率与甲醇和水蒸气的分压成正比，与H2的分压成反比，故可采取措施为选择水醇比为1.2，及时分离出H2。
答案：选择水醇比为1.2，及时分离出H2
工业生产中测得不同温度下各组分体积分数及二甲醚转化率的关系如图所示：
你认为反应控制的最佳温度应为______(填标号)。
A．300～350 ℃ B．350～400 ℃
C．400～450 ℃ D．450～500 ℃
解析：由图1可看出在T＞400 ℃时，二甲醚的体积分数很小，而H2的含量较高，CO2、CO的含量较低且变化趋势不再明显，再由图2可看出到达450 ℃时，二甲醚的转化率已达到很高，升高温度变化不明显，综合图1、图2和现实生产中的成本分析，温度应控制在400～450 ℃最合适。
答案：C
√
保持容器容积和投料量不变，分别在1 MPa和5 MPa下进行上述反应，测得容器中CO和CH4的含量随温度的变化如图所示。
5 MPa时，表示CO和CH4平衡组成随温度变化关系的曲线分别是________和________________。X点平衡组成含量高于Y点的原因是
____________________________________________________。
解析：保持容器容积和投料量不变，分别在1 MPa和5 MPa 下进行题述反应，由于反应1为吸热反应，反应2为吸热反应(ΔH2＝ΔH1＋ΔH3＝＋165 kJ·mol－1)，反应3为放热反应，所以升高温度，CH4的含量降低，CO的含量增多，在同温条件下，增大压强，反应1和2均向逆反应方向移动，所以CH4含量增多，CO含量降低，所以 5 MPa 时，表示CO平衡组成随温度变化关系的曲线为d，CH4平衡组成随温度变化关系的曲线为a；压强相同条件下，升高温度，反应1向正反应方向移动，反应3向逆反应方向移动，但反应的影响程度更大，所以CO含量增多。
答案：d a 压强相同条件下，升高温度，反应1向正反应方向移动，反应3向逆反应方向移动，但反应的影响程度更大，所以CO含量增多
在p MPa时，将CO2和CH4按物质的量之比为1∶1充入密闭容器中发生反应Ⅰ，分别在无催化剂和ZrO2催化下反应相同时间，所得CO2的转化率、催化剂活性与温度的关系如图所示。
(1)a点CO2转化率相等的原因是________________________________
_______________________________________________________________________________________________________________。
(2)在900 ℃、ZrO2催化条件下，将CO2、CH4、H2O按物质的量之比为1∶1∶n充入密闭容器中，CO2的平衡转化率大于50%，原因是_______________________________________________________________________________________________________________________________________。
解析：(1)a点时，有ZrO2催化与无催化剂时CO2的转化率相同，说明催化剂已无催化活性。(2)压强恒定时，充入水蒸气，反应Ⅰ平衡右移，CO2的平衡转化率大于50%。
答案：(1)催化剂失活 (2)压强恒定时，充入水蒸气，平衡右移，CO2的平衡转化率大于50%
解答化学反应速率与平衡图像题的思维流程
第一步：通过读图识图获取有用信息
在依据化学反应原理中反应速率和平衡移动知识解读图像的基础上，还需要进行如下思考：
明标 明确横、纵坐标的含义，用变量的观点分析坐标，找出横、纵坐标的关系，再联想相应的已学化学知识
找点 找出曲线中的起点、拐点、终点、交叉点、平衡点等，分析这些点的意义及主要影响因素有哪些
析线 正确分析曲线的变化趋势(上升、下降、平缓、转折等)，同时对走势有转折变化的曲线要分段分析，研究各段曲线变化趋势及其含义
第二步：在获取图像信息的基础上加工进行解题(对图像信息加工处理的角度如图所示)
