高中 化學(xué) 選擇性必修1 第二章 化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡《專(zhuān)題突破四 化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡圖像》教學(xué)設(shè)計(jì)

化學(xué)速率平衡圖像是展示化學(xué)平衡動(dòng)態(tài)變化過(guò)程的直觀(guān)手法。雖然圖示不復(fù)雜，但卻有一定的抽象性和綜合性，因此分析化學(xué)平衡圖像，應(yīng)從以下四步入手：(1)看圖像：一看軸，即縱、橫坐標(biāo)的意義；二看點(diǎn)：即起點(diǎn)、拐點(diǎn)、交點(diǎn)、終點(diǎn)；三看線(xiàn)，即線(xiàn)的走向和變化趨勢(shì)；四看輔助線(xiàn)，即等溫線(xiàn)、等壓線(xiàn)、平衡線(xiàn)等；五看量的變化，如濃度變化、溫度變化、轉(zhuǎn)化率變化、物質(zhì)的量變化等。(2)依據(jù)圖像信息，利用平衡移動(dòng)原理，分析可逆反應(yīng)的特征：吸熱還是放熱，氣體的化學(xué)計(jì)量數(shù)增大、減小還是不變，有無(wú)固體或純液體物質(zhì)參加或生成等。(3)先拐先平：在化學(xué)平衡圖像中，先出現(xiàn)拐點(diǎn)的反應(yīng)先達(dá)到平衡，可能是該反應(yīng)的溫度高、濃度大、壓強(qiáng)大或使用了催化劑。(4)定一議二：勒夏特列原理只適用于一個(gè)條件的改變，所以圖像中有三個(gè)變量，先固定一個(gè)量，再討論另外兩個(gè)量的關(guān)系。一、速率－時(shí)間圖像根據(jù)v-t圖像，可以很快地判斷出反應(yīng)進(jìn)行的方向，根據(jù)v正、v逆的變化情況，可以推斷出外界條件的改變情況。以合成氨反應(yīng)為例：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)ΔH<0。條件c(N2)增大c(H2)減小c(NH3)增大v-t圖像平衡移動(dòng)方向正反應(yīng)方向移動(dòng)逆反應(yīng)方向移動(dòng)逆反應(yīng)方向移動(dòng)條件c(NH3)減小增大壓強(qiáng)減小壓強(qiáng)v-t圖像平衡移動(dòng)方向正反應(yīng)方向移動(dòng)正反應(yīng)方向移動(dòng)逆反應(yīng)方向移動(dòng)條件升高溫度降低溫度使用催化劑v-t圖像平衡移動(dòng)方向逆反應(yīng)方向移動(dòng)正反應(yīng)方向移動(dòng)不移動(dòng)密閉容器中發(fā)生反應(yīng)：A(g)＋3B(g)2C(g)ΔH<0，根據(jù)v-t圖像，回答下列問(wèn)題：(1)下列時(shí)刻所改變的外界條件是t1____________；t3____________；t4____________。(2)反應(yīng)速率最快的時(shí)間段是__________________________________________________。(3)下列措施能增大正反應(yīng)速率的是________(填字母)。A．通入A(g)B．分離出C(g)C．降溫D．增大容器容積答案：(1)升高溫度加入催化劑減小壓強(qiáng)(2)t3～t4(3)A解析：(1)t1時(shí)刻，改變條件，v′正、v′逆均增大，且v′逆>v′正，平衡逆向移動(dòng)，說(shuō)明改變的條件是升高溫度。t3時(shí)刻，改變條件，v″正、v″逆同等程度增大，且該反應(yīng)是反應(yīng)前后氣體物質(zhì)的量不相等的反應(yīng)，故改變的條件是加入催化劑。t4時(shí)刻，改變條件，v正、v逆均減小，且v逆>v正，平衡逆向移動(dòng)，說(shuō)明改變的條件是減小壓強(qiáng)。(2)t3～t4時(shí)間段內(nèi)，反應(yīng)使用催化劑，由圖像可知該時(shí)間段內(nèi)反應(yīng)速率最快。(3)降溫、增大容器容積均會(huì)使正、逆反應(yīng)速率減??；分離出C(g)時(shí)，v正不變，v逆減小，隨著反應(yīng)的進(jìn)行v正會(huì)減??；通入A(g)，反應(yīng)物的濃度增大，v正增大。二、其他常見(jiàn)的化學(xué)平衡圖像以反應(yīng)mA(g)＋nB(g)xC(g)＋qD(g)為例，突破外界因素對(duì)化學(xué)平衡的影響的圖像問(wèn)題：(一)轉(zhuǎn)化率—時(shí)間圖1.分析四種圖像由圖知：p一定時(shí)，ΔH<0由圖知：T一定時(shí)，m＋n>x＋q由圖知：T一定時(shí)，m＋n<x＋q由圖知：T一定時(shí)，m＋n＝x＋q2.解答這類(lèi)圖像題時(shí)應(yīng)注意以下兩點(diǎn)(1)“先拐先平，數(shù)值大”原則分析反應(yīng)由開(kāi)始(起始物質(zhì)相同時(shí))至達(dá)到平衡所用時(shí)間的長(zhǎng)短可推知反應(yīng)條件的變化。①若為溫度變化引起，溫度較高時(shí)，反應(yīng)達(dá)平衡所需時(shí)間短。如甲圖500℃先達(dá)平衡。②若為壓強(qiáng)變化引起，壓強(qiáng)較大時(shí)，反應(yīng)達(dá)平衡所需時(shí)間短。如乙、丙、丁圖1.01×107Pa先達(dá)平衡。(2)掌握?qǐng)D像中反應(yīng)規(guī)律的判斷方法①圖甲中，升高溫度，A的轉(zhuǎn)化率降低，平衡逆向移動(dòng)，正反應(yīng)為放熱反應(yīng)。②圖乙中，增大壓強(qiáng)，A的轉(zhuǎn)化率升高，平衡正向移動(dòng)，則正反應(yīng)為氣體體積減小的反應(yīng)。③若縱坐標(biāo)表示A的百分含量，則甲中正反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，乙中正反應(yīng)為氣體體積增大的反應(yīng)。一定條件下，CO2(g)＋3H2(g)H2O(g)＋CH3OH(g)ΔH＝－53.7kJ·mol－1，向2L恒溫密閉容器中充入1molCO2和2.8molH2反應(yīng)，圖中過(guò)程Ⅰ、Ⅱ是在兩種不同催化劑作用下建立平衡的過(guò)程中CO2的轉(zhuǎn)化率[α(CO2)]隨時(shí)間(t)的變化曲線(xiàn)。下列說(shuō)法中不正確的是()A．m點(diǎn)：v正>v逆B．活化能：過(guò)程Ⅱ>過(guò)程ⅠC．n點(diǎn)時(shí)該反應(yīng)的平衡常數(shù)K＝50D．過(guò)程Ⅰ，t2時(shí)刻改變的反應(yīng)條件可能是升高溫度答案：C解析：m點(diǎn)CO2的轉(zhuǎn)化率不是最大，反應(yīng)向正反應(yīng)方向進(jìn)行，因此v正>v逆，A項(xiàng)正確；過(guò)程Ⅰ首先達(dá)到平衡狀態(tài)，說(shuō)明反應(yīng)速率快，因此活化能：過(guò)程Ⅱ>過(guò)程Ⅰ，B項(xiàng)正確；n點(diǎn)時(shí)CO2的轉(zhuǎn)化率是80%，則根據(jù)方程式可知：CO2(g)＋3H2(g)H2O(g)＋CH3OH(g)起始濃度/(mol·L－1)0.51.400轉(zhuǎn)化濃度/(mol·L－1)0.41.20.40.4平衡濃度/(mol·L－1)0.10.20.40.4所以該反應(yīng)的平衡常數(shù)K＝eq\f(0.4×0.4,0.1×0.23)＝200，C項(xiàng)錯(cuò)誤；過(guò)程Ⅰ，t2時(shí)刻CO2的轉(zhuǎn)化率降低，說(shuō)明反應(yīng)向逆反應(yīng)方向進(jìn)行，由于正反應(yīng)放熱，因此改變的反應(yīng)條件可能是升高溫度，D項(xiàng)正確。(二)含量—時(shí)間—溫度(壓強(qiáng))圖這類(lèi)圖像反映了反應(yīng)物或生成物的量在不同溫度(壓強(qiáng))下與時(shí)間的關(guān)系，解題時(shí)要注意，一定條件下物質(zhì)含量不再改變時(shí)，即為化學(xué)反應(yīng)達(dá)到平衡的時(shí)刻，分析方法同(一)。由圖知：p一定時(shí)，ΔH>0由圖知：T一定時(shí)，m＋n>x＋q已知：4NH3(g)＋5O2(g)4NO(g)＋6H2O(g)ΔH＝－1025kJ·mol－1，若反應(yīng)起始物質(zhì)的量相同，下列關(guān)于該反應(yīng)的示意圖不正確的是()答案：C解析：由于該反應(yīng)的正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，溫度升高平衡逆向移動(dòng)，NO的含量降低，故A項(xiàng)正確，C項(xiàng)錯(cuò)誤；該反應(yīng)的正反應(yīng)是氣體體積增大的反應(yīng)，壓強(qiáng)減小平衡正向移動(dòng)，NO的含量增大，故B項(xiàng)正確；催化劑的使用只能改變反應(yīng)速率，不能使平衡發(fā)生移動(dòng)，NO的含量不變，故D項(xiàng)正確。(三)轉(zhuǎn)化率—溫度—壓強(qiáng)圖1.分析四種圖像由圖知：m＋n>x＋q，ΔH>0由圖知：m＋n<x＋q，ΔH<0由圖知：m＋n>x＋q，ΔH<0由圖知：m＋n<x＋q，ΔH>02.解答這類(lèi)圖像時(shí)應(yīng)注意以下兩點(diǎn)(“定一議二”原則)(1)通過(guò)分析相同溫度下不同壓強(qiáng)時(shí)反應(yīng)物A的轉(zhuǎn)化率大小來(lái)判斷平衡移動(dòng)的方向，從而確定反應(yīng)方程式中反應(yīng)物與生成物氣體物質(zhì)間的化學(xué)計(jì)量數(shù)的大小關(guān)系。如圖甲中任取一條溫度曲線(xiàn)研究，壓強(qiáng)增大，A的轉(zhuǎn)化率增大，平衡正向移動(dòng)，正反應(yīng)為氣體體積減小的反應(yīng)，圖丙中任取橫坐標(biāo)一點(diǎn)作橫坐標(biāo)垂直線(xiàn)，也能得出相同結(jié)論。(2)通過(guò)分析相同壓強(qiáng)下不同溫度時(shí)反應(yīng)物A的轉(zhuǎn)化率的大小來(lái)判斷平衡移動(dòng)的方向，從而確定反應(yīng)的熱效應(yīng)。如圖丙中任取一條壓強(qiáng)曲線(xiàn)研究，溫度升高，A的轉(zhuǎn)化率減小，平衡逆向移動(dòng)，正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，圖乙中任取橫坐標(biāo)一點(diǎn)作橫坐標(biāo)垂直線(xiàn)，也能得出相同結(jié)論。可逆反應(yīng)mX(g)＋nY(g)xZ(g)在不同溫度及壓強(qiáng)(p1和p2)條件下反應(yīng)物X的轉(zhuǎn)化率的變化情況如圖所示。下列判斷正確的是()A．正反應(yīng)吸熱，m＋n<xB．正反應(yīng)吸熱，m＋n>xC．正反應(yīng)放熱，m＋n<xD．正反應(yīng)放熱，m＋n>x答案：D解析：根據(jù)第二個(gè)圖像，隨著溫度的升高，X的轉(zhuǎn)化率減小，說(shuō)明升溫平衡逆向移動(dòng)，正反應(yīng)為放熱反應(yīng)；從第一個(gè)圖像看出，在p1下先達(dá)到平衡，可知p1>p2，則增大壓強(qiáng)時(shí)，X的轉(zhuǎn)化率增大，說(shuō)明增大壓強(qiáng)平衡正向移動(dòng)，m＋n>x。(四)含量—溫度—壓強(qiáng)圖這類(lèi)圖像的縱坐標(biāo)為反應(yīng)物或生成物的含量，橫坐標(biāo)為溫度或壓強(qiáng)，分析方法同(三)。由圖知：m＋n>x＋q，ΔH>0由圖知：m＋n<x＋q，ΔH<0由圖知：m＋n>x＋q，ΔH<0由圖知：m＋n<x＋q，ΔH>0如圖是溫度和壓強(qiáng)對(duì)反應(yīng)X＋Y2Z影響的示意圖。圖中縱坐標(biāo)表示平衡混合氣體中Z的體積分?jǐn)?shù)。下列敘述正確的是()A．X、Y、Z均為氣態(tài)B．恒容時(shí)，混合氣體的密度可作為此反應(yīng)是否達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)的判斷依據(jù)C．升高溫度時(shí)v正增大，v逆減小，平衡向右移動(dòng)D．使用催化劑能提高Z的產(chǎn)量答案：B解析：由題圖可知，在溫度不變時(shí)增大壓強(qiáng)，Z的體積分?jǐn)?shù)減小，即平衡逆向移動(dòng)，所以X、Y中至多有一種是氣體，A錯(cuò)誤；因反應(yīng)物中有非氣體物質(zhì)存在，所以恒容時(shí)只要平衡發(fā)生移動(dòng)，混合氣體的質(zhì)量就會(huì)發(fā)生變化，則密度必然改變，所以混合氣體的密度可作為此反應(yīng)是否達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)的判斷依據(jù)，B正確；升高溫度，v正、v逆都增大，C錯(cuò)誤；催化劑對(duì)平衡移動(dòng)無(wú)影響，不能提高Z的產(chǎn)量，D錯(cuò)誤。(五)其他圖像1.圖像(1)：t1點(diǎn)時(shí)，狀態(tài)ⅠC的含量的增加量大于狀態(tài)Ⅱ；條件改變時(shí)，平衡不發(fā)生移動(dòng)。所以，條件Ⅰ有兩種可能：①使用催化劑；②增大壓強(qiáng)，且滿(mǎn)足m＋n＝x＋q。2.圖像(2)：T1為平衡點(diǎn)；T1點(diǎn)以前，v正>v逆，沒(méi)有達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)，T1點(diǎn)以后，隨著溫度的升高，C的含量減小，表示化學(xué)平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，ΔH<0。3.圖像(3)：p1為平衡點(diǎn)；p1點(diǎn)以前，v正>v逆，反應(yīng)沒(méi)有達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)；p1點(diǎn)以后，隨著壓強(qiáng)的增大，C的含量減小，表示化學(xué)平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，逆反應(yīng)為氣體分子數(shù)減小的反應(yīng)，即m＋n<x＋q。4.圖像(4)：對(duì)于化學(xué)反應(yīng)mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g)，L線(xiàn)上所有的點(diǎn)都是平衡點(diǎn)。L線(xiàn)的左上方(E點(diǎn))，A的百分含量大于此壓強(qiáng)時(shí)平衡體系的A的百分含量，所以，E點(diǎn)v正>v逆；則L線(xiàn)的右下方(F點(diǎn))，v正＜v逆。在2L恒容密閉容器中充入2molX和1molY發(fā)生反應(yīng)：2X(g)＋Y(g)3Z(g)，反應(yīng)過(guò)程中持續(xù)升高溫度，測(cè)得混合體系中X的體積分?jǐn)?shù)與溫度的關(guān)系如圖所示。下列推斷正確的是()A．Q點(diǎn)時(shí)，Y的轉(zhuǎn)化率最大B．W點(diǎn)的正反應(yīng)速率等于M點(diǎn)的正反應(yīng)速率C．升高溫度，平衡常數(shù)增大D．溫度一定，平衡時(shí)充入