2019届一轮复习人教版化学速率平衡图表分析与数据处理学案 13页

学案六　化学速率平衡图表分析与数据处理 ‎【学习目标】‎ ‎1．理解化学平衡图像的意义，掌握化学平衡图像题的解法。‎ ‎2．借助速率和平衡的图像，了解平衡在生活、生产和科学研究领域中的重要作用。‎ ‎3．通过对“化学反应速率和化学平衡”的图表以及“化学反应的过程图像”的分析，提高学生对图表信息进行综合处理和加工的能力。‎ ‎4．通过同学之间对图像题的解题方法的讨论分析，体会同伴间互助学习的必要性。‎ ‎【学习重点】　阅读表格数据、图像，对化学平衡的综合分析，解决实际问题。‎ ‎【学习难点】　平衡图像解题思路、方法与技巧。‎ ‎【考情分析】　从近几年看，化学反应速率和化学平衡的考查，试题的创新性、探究性逐年提升，如：考查问题多样化的平衡图像问题，通过设计新颖的速率、平衡计算以及通过图像、表格获取信息、数据等试题在情境上、取材上都有所创新，而且化学反应速率与化学平衡还与元素化合物知识相互联系，综合考查，并且两者的结合也日趋紧密。如2015·全国卷Ⅰ·28，2016·全国卷Ⅱ·27，2017·全国卷Ⅰ·28等。‎ ‎1．常见速率、平衡图像 ‎(1)物质的量(或浓度)－时间图像 例如，某温度时，在定容(V L)容器中，X、Y、Z三种物质的物质的量随时间的变化曲线如图所示。‎ ‎(2)含量—时间—温度(压强)‎ 常见形式有如下几种。(C%指生成物的质量分数；B%指某反应物的质量分数)‎ ‎(3)恒压(温)的图像分析 该类图像的纵坐标为物质的平衡浓度(c)或反应物的转化率(α)，横坐标为温度(T)或压强(p)，常见类型如下所示：‎ 如图2所示曲线是其他条件不变时，某反应物的最大转化率(α)与温度(T)的关系曲线，图中标出的1、2、3、4四个点，表示v正＞v逆的点是3，表示v正＜v逆的点是1，而2、4点表示v正＝v逆。‎ ‎2．解答化学平衡图像题二个原则和三个步骤 ‎(1)二个原则 ‎①先拐先平。例如，在转化率—时间图上，先出现拐点的曲线先达到平衡，此时推理可得该变化的温度高、浓度大、压强高。‎ ‎②定一论二。当图像中有三个量时，先确定一个量不变再讨论另外两个量的关系。‎ ‎(1)三个步骤 ‎①‎ 看懂图像：看图像要五看。一看面，即看清横坐标和纵坐标；二看线，即看线的走向、变化趋势；三看点，即看曲线的起点、终点、交点、拐点、原点、极值点等；四看要不要作辅助线、如等温线、等压线；五看定量图像中有关量的多少。②联想规律：联想外界条件对化学反应速率和化学平衡的影响规律。③推理判断：结合题中给定的化学反应和图像中的相关信息，根据有关知识规律分析作出判断。‎ 考点指导1　化学平衡中的表格数据处理 ‎【典例1】　某温度下进行反应：COCl2(g)Cl2(g)＋CO(g)，向‎2.0 L恒容密闭容器中充入1.0 mol COCl2(g)，经过一段时间后达到平衡。反应过程中测得的有关数据见下表：‎ t/s ‎0‎ ‎2‎ ‎4‎ ‎6‎ ‎8‎ n(Cl2)/mol ‎0‎ ‎0.30‎ ‎0.39‎ ‎0.40‎ ‎0.40‎ ‎(1)0～2 s内，v(Cl2)＝________。‎ ‎(2)保持其他条件不变，升高温度，平衡时c(Cl2)＝0.22 mol·L－1，则反应的ΔH________(填“＞”、“＜”或“＝”)0。‎ ‎(3)该温度下，此反应的平衡常数K＝________；若在‎2 L恒容绝热(与外界没有热量交换)密闭容器中进行该反应，则该反应K将________(填“增大”、“减小”或“不变”)。‎ ‎(4)保持其他条件不变，起始时向容器中充入1.2 mol COCl2、0.60 mol Cl2和0.60 mol CO，反应达到平衡前的速率：v(正)________(填“＞”、“＜”或“＝”)v(逆)。‎ ‎(5)若起始时向该容器中充入2.0 mol COCl2(g)，经过一段时间后达到平衡，n(Cl2)________(填“＞”、“＜”或“＝”)0.8 mol。‎ ‎(6)保持其他条件不变，起始向容器中充入1.0 mol Cl2和1.2 mol CO，达到平衡时，Cl2的转化率________(填“＞”、“＜”或“＝”)60%。‎ ‎(7)若该反应是在恒温恒压下进行，则达到平衡时反应物的转化率将________(填“＞”、“＜”或“＝”)40%。‎ 解析　(1)v(Cl2)＝＝0.075 mol·L－1·s－1。‎ ‎(2)对于题中原平衡，c(Cl2)＝＝0.2 mol·L－1，温度升高，c(Cl2)＝0.22 mol·L ‎－1，说明平衡正向移动，正反应吸热。‎ K＝＝0.133 (mol·L－1)。‎ 因为正反应是吸热反应，随着反应的进行，温度降低，平衡逆向移动，K减小。‎ ‎(4)Q＝＝0.15＞K，反应逆向进行。‎ ‎(5)若起始充入2.0 mol COCl2(g)，体积扩大2倍，则达到平衡时n(Cl2)＝0.8 mol，压回原体积，即增大压强，平衡逆向移动，n(Cl2)减小。(6)若充入1.0 mol Cl2和1.0 mol CO，则与原平衡等效，达到平衡时，Cl2的转化率等于60%，现在是充了1.0 mol Cl2和1.2 mol CO，多充入CO，则Cl2的转化率增大。(7)恒温恒容的容器中，随着反应的进行，压强增大，平衡逆向移动，转化率减小。所以恒温恒压的容器中转化率大些。‎ 答案　(1)0.075 mol·L－1·s－1　(2)＞　(3)0.133 mol·L－1　减小　(4)＜　(5)＜　(6)＞　(7)＞‎ ‎【课堂对点训练】‎ ‎1．某同学学习了化学反应速率后，联想到曾用H2O2制备氧气，于是设计了下面的实验方案并进行实验探究。‎ 实验编号 反应物 催化剂 甲 试管中加入3 mL 2% H2O2溶液和3滴蒸馏水 无 乙 试管中加入3 mL 5% H2O2溶液和3滴蒸馏水 无 丙 试管中加入3 mL 5% H2O2溶液和3滴蒸馏水 ‎1 mL 0.1 mol·L－1 FeCl3溶液 丁 试管中加入3 mL 5% H2O2溶液和3滴稀盐酸溶液 ‎1 mL 0.1 mol·L－1 FeCl3溶液 戊 试管中加入3 mL 5% H2O2溶液和3滴NaOH溶液 ‎1 mL 0.1 mol·L－1 FeCl3溶液 ‎(1)上述实验发生反应的化学方程式为_______________________________‎ ‎_______________________________________________________________。‎ ‎(2)实验甲和实验乙的实验目的是______________________________________；‎ 实验丙、实验丁和实验戊的实验目的是______________________________。‎ ‎(3)分析H2O2的性质，解释实验甲和实验乙能否达到实验目的：_________________________________________________________________‎ ‎_______________________________________________________________。‎ ‎(4)实验过程中该同学对实验丙、丁、戊中产生的气体进行收集，并在2 min内6个时间点对注射器内气体进行读数，记录数据如表。‎ 时间/s ‎20‎ ‎40‎ ‎60‎ ‎80‎ ‎100‎ ‎120‎ 气体体 积/mL 实验丙 ‎9.5‎ ‎19.5‎ ‎29.0‎ ‎36.5‎ ‎46.0‎ ‎54.5‎ 实验丁 ‎8.0‎ ‎16.0‎ ‎23.5‎ ‎31.5‎ ‎39.0‎ ‎46.5‎ 实验戊 ‎15.5‎ ‎30.0‎ ‎44.5‎ ‎58.5‎ ‎71.5‎ ‎83.0‎ ‎①对实验戊，0～20 s的反应速率v1＝________ mL·s－1，100～120 s的反应速率v2＝________ mL·s－1。不考虑实验测量误差，二者速率存在差异的主要原因是_______________________________________________________________‎ ‎_______________________________________________________________。‎ ‎②如图是根据实验收集到最大体积的气体时所用时间绘制的图像。曲线c表示的是实验________(填“丙”、“丁”或“戊”)。‎ 解析　(1)过氧化氢在催化剂作用下分解生成氧气和水。(2)对比实验甲和乙，可知不同的是过氧化氢的浓度；对比实验丙、丁、戊，可知不同的是H2O2溶液的酸碱性。(3)过氧化氢在不加热且没有催化剂作用的条件下性质比较稳定，故实验甲和乙尽管H2O2浓度不同，但H2O2均不会分解生成氧气。(4)由于实验戊产生氧气的速率最快，实验丁产生氧气的速率最慢，可推知图像中曲线a、b、c对应的分别为实验戊、丙、丁。‎ 答案　(1)2H2O22H2O＋O2↑‎ ‎(2)反应物浓度不同对反应速率的影响　不同酸碱性条件下，催化剂对反应速率的影响 ‎(3)实验甲和实验乙不能达到实验目的，因H2O2在常温且无催化剂作用的条件下比较稳定 ‎(4)①0.775　0.575　随反应的不断进行，H2O2浓度逐渐降低，反应速率减小　②丁 考点指导2　速率、平衡图像分析 ‎【典例2】　用NH3催化还原NxOy可以消除氮氧化物的污染。‎ 已知：‎ 反应Ⅰ：4NH3(g)＋6NO(g)5N2(g)＋6H2O(l)　ΔH1‎ 反应Ⅱ：2NO(g)＋O2(g)2NO2(g)　ΔH2(且|ΔH1|＝2|ΔH2|)‎ 反应Ⅲ：4NH3(g)＋6NO2(g)5N2(g)＋3O2(g)＋6H2O(l)　ΔH3‎ 反应Ⅰ和反应Ⅱ在不同温度时的平衡常数及其大小关系如下表：‎ 温度/K 反应Ⅰ 反应Ⅱ 已知：‎ K2‎‎>K1>K′2>K′1‎ ‎298‎ K1‎ K2‎ ‎398‎ K′1‎ K′2‎ ‎(1)推测反应Ⅲ是________反应(填“吸热”或“放热”)‎ ‎(2)相同条件下，反应Ⅰ在‎2 L密闭容器内，选用不同的催化剂，反应产生N2的量随时间变化如图所示。‎ ‎①计算0～4分钟在A催化剂作用下，反应速率v(NO)＝________。‎ ‎②下列说法正确的是________。‎ A．该反应的活化能大小顺序是：Ea(A)>Ea(B)>Ea(C)‎ B．增大压强能使反应速率加快，是因为增加了活化分子百分数 C．单位时间内H—O键与N—H键断裂的数目相等时，说明反应已经达到平衡 D．若在恒容绝热的密闭容器中发生反应，当K值不变时，说明反应已达到平衡 ‎(3)一定条件下，反应Ⅱ达到平衡时体系中n(NO)∶n(O2)∶n(NO2)＝2∶1∶2。在其他条件不变时，再充入NO2气体，分析NO2体积分数——φ(NO2)的变化情况：恒温恒压容器，φ(NO2)________；恒温恒容容器，φ(NO2)________(填“变大”、“变小”或“不变”)。‎ ‎(4)一定温度下，反应Ⅲ在容积可变的密闭容器中达到平衡，此时容积为‎3 L，c(N2)与反应时间t变化曲线X如图所示，若在t1时刻改变一个条件，曲线X变为曲线Y或曲线Z。则：‎ ‎①变为曲线Y改变的条件是___________________________________。‎ 变为曲线Z改变的条件是______________________________________。‎ ‎②若t2时降低温度，t3时达到平衡，请在图中画出曲线X在t2～t4内c(N2)的变化曲线。‎ 解析　(1)分析表中数据可知，对于反应Ⅰ和反应Ⅱ，温度升高时，K值减小，平衡逆向移动，故两个反应都是放热反应，焓变小于0。将反应Ⅰ－反应Ⅱ×3得反应Ⅲ，则ΔH3＝ΔH1－3ΔH2＝2ΔH2－3ΔH2＝－ΔH2，因为ΔH2<0，所以ΔH3>0，反应Ⅲ是吸热反应。(2)①v(NO)＝v(N2)＝×＝0.375 mol·L－1·min－1。②单位时间内生成的N2越多，则活化分子越多，活化能越低，A错误；增大压强能使反应速率加快，是因为增加了活化分子的浓度，活化分子的百分数不变，B错误；单位时间内H—O键与N—H键断裂的数目相等时，说明正反应速率等于逆反应速率，反应已经达到平衡，C正确；若在恒容绝热的密闭容器中发生反应，当K值不变时，说明反应已经达到平衡，D正确。(3)恒温恒压容器中的平衡是等效平衡，φ(NO2)不变；恒温恒容容器，再充入NO2气体，等效于增大压强，平衡正向移动，φ(NO2)变大。(4)①曲线Y比曲线X先达到平衡，但平衡状态相同，改变的条件是加入催化剂；曲线Z条件下，N2的浓度由2 mol·L－1‎ 瞬间增大到3 mol·L－1，容器体积应由‎3 L减小到‎2 L，改变的条件是：将容器的体积快速压缩至‎2 L。②该反应是吸热反应，降低温度时，平衡逆向移动，c(N2)在原有基础上逐渐减小，直到达到新的平衡。‎ 答案　(1)吸热　(2)①0.375 mol·L－1·min－1　②CD ‎(3)不变　变大　(4)①加入催化剂　将容器的体积快速压缩至‎2 L　②图像如图 ‎【课堂对点训练】‎ ‎2．(1)将0.05 mol SO2(g)和0.03 mol O2(g)放入容积为‎1 L的密闭容器中发生反应，反应2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)的能量变化如图所示，在一定条件下达到平衡，测得c(SO3)＝0.04 mol·L－1，则该条件下反应的平衡常数K为________，若温度升高，K将________(填“增大”或“减小”)。‎ ‎(2)‎600 ℃‎时，在‎1 L的密闭容器中，将二氧化硫和氧气混合，反应过程中SO2、O2、SO3物质的量变化如图所示。据图判断：‎ ‎①0～10 min，v(O2)＝________。‎ ‎②10 min到15 min内曲线变化的原因可能是________(填写编号)。‎ a．使用了催化剂 b．缩小容器体积 c．降低温度 d．增加SO3的物质的量 答案　(1)1 ‎600 L·mol－1　减小 ‎(2)①0.000 5 mol·L－1·min－1　②ab 考点指导3　平衡图表题综合应用 ‎【典例3】　甲醇是重要的化工原料，又可做为燃料。利用合成气(主要成分为CO、CO2和H2)在催化剂的作用下合成甲醇，发生的主反应如下：‎ Ⅰ.CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)　ΔH1‎ Ⅱ.CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g)　ΔH2＝－58 kJ/ mol ‎ Ⅲ.CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g)　ΔH3‎ 回答下列问题：‎ ‎(1)物质的标准生成热是常用的化学热力学数据，可以用来计算化学反应热。即化学反应热：ΔH＝生成物标准生成热总和－反应物标准生成热总和。‎ 已知四种物质的标准生成热如下表：‎ 物质 CO CO2‎ H2‎ CH3OH(g)‎ 标准生成 热(kJ/ mol )‎ ‎－110.52‎ ‎－393.51‎ ‎0‎ ‎－201.25‎ A.计算ΔH1＝________kJ/ mol　　B．ΔH3________0(填“＝”“<”或“>”)‎ ‎(2)由甲醇在一定条件下制备甲醚。一定温度下，在三个体积均为‎1.0L的恒容密闭容器中发生反应：2CH3OH(g)CH3OCH3(g)＋H2O(g)。实验数据见下表：‎ 容器 编号 温度 ‎(℃)‎ 起始物质的量(mol)‎ 平衡物质的量(mol)‎ CH3OH(g)‎ CH3OCH3(g)‎ H2O(g)‎ CH3OCH3(g)‎ H2O(g)‎ a ‎387‎ ‎0.20‎ ‎0‎ ‎0‎ ‎0.080‎ ‎0.080‎ b ‎387‎ ‎0.40‎ ‎0‎ ‎0‎ c ‎207‎ ‎0.20‎ ‎0‎ ‎0‎ ‎0.090‎ ‎0.090‎ 下列说法正确的是________。‎ A．该反应的正反应为放热反应 B．达到平衡时，容器a中的CH3OH体积分数比容器b中的小 C．容器a中反应到达平衡所需时间比容器c中的长 D．若起始时向容器a中充入CH3OH 0.15 mol 、CH3OCH3 0.15 mol 和H2O 0.10 mol，则反应将向正反应方向进行 ‎(3)合成气的组成n(H2)/n(CO＋CO2)＝2.60时，体系中的CO平衡转化率(α)与温度和压强的关系如图所示。‎ ‎①α(CO)值随温度升高而________(填“增大”或“减小”)，其原因是_______________________________________________________________。‎ ‎②图中p1、p2、p3的大小关系为________，其判断理由是 ‎________________________________________________________________。‎ ‎(4)甲醇可以制成燃料电池，与合成气制成燃料电池相比优点是________；若以硫酸作为电解质其负极反应为______________________________________。‎ 解析　(1)利用标准生成热可计算反应的焓变ΔH1＝(-201.25)－[(-110.52)－2×0]kJ/ mol＝－90.73 kJ/ mol ；利用盖斯定律Ⅱ－Ⅰ即可得到Ⅲ，所以ΔH3＝ΔH2－ΔH1 ＝－58 kJ/ mol－(－90.73 kJ/ mol)＝32.73 kJ/ mol >0。(2)容器a、c中CH3OH的物质的量相同，而容器a的温度比容器c高，平衡时CH3OCH3的物质的量：a