?專題講座四　?？妓俾?、平衡圖像識圖策略
一、常規(guī)圖像分類突破


1．速率時間圖像
(1)當可逆反應達到一種平衡后，若某一時刻外界條件發(fā)生改變，都可能使速率—時間圖像的曲線出現(xiàn)不連續(xù)的情況，根據(jù)出現(xiàn)“斷點”前后的速率大小，即可對外界條件的變化情況作出判斷。如圖：

t1時刻改變的條件可能是使用了催化劑或增大壓強(僅適用于反應前后氣體物質的量不變的反應)。
(2)“漸變”類v－t圖像
圖像
分析
結論

t1時v′正突然增大，v′逆逐漸增大；v′正＞v′逆，平衡向正反應方向移動
t1時其他條件不變，增大反應物的濃度

t1時v′正突然減小，v′逆逐漸減??；v′逆＞v′正，平衡向逆反應方向移動
t1時其他條件不變，減小反應物的濃度

t1時v′逆突然增大，v′正逐漸增大；v′逆＞v′正，平衡向逆反應方向移動
t1時其他條件不變，增大生成物的濃度

t1時v′逆突然減小，v′正逐漸減??；v′正＞v′逆，平衡向正反應方向移動
t1時其他條件不變，減小生成物的濃度

(3)利用圖像“斷點”判斷影響速率的外因
圖像




t1
時刻
所改
變的
條件
溫度
升高
降低
升高
降低
正反應為放熱的反應
正反應為吸熱的反應
壓強
增大
減小
增大
減小
正反應為氣體物
質的量增大的反應
正反應為氣體物
質的量減小的反應

應用體驗
在一密閉容器中發(fā)生反應N2＋3H22NH3　ΔH＜0，達到平衡后，只改變某一個條件時，反應速率與反應時間的關系如圖所示。

回答下列問題：
(1)處于平衡狀態(tài)的時間段是________(填字母，下同)。
A．t0～t1　　B．t1～t2　　C．t2～t3
D．t3～t4 　E．t4～t5 　F．t5～t6
(2)判斷t1、t3、t4時刻分別改變的一個條件。
A．增大壓強 　B．減小壓強 　　C．升高溫度
D．降低溫度 　E．加催化劑 　　F．充入氮氣
t1時刻________；t3時刻________；t4時刻________。
(3)依據(jù)(2)中的結論，下列時間段中，氨的百分含量最高的是__________。
A．t0～t1 B．t2～t3
C．t3～t4 D．t5～t6
(4)如果在t6時刻，從反應體系中分離出部分氨，t7時刻反應達到平衡狀態(tài)，請在圖中畫出反應速率的變化曲線。
答案　(1)ACDF　(2)C　E　B　(3)A
(4)
解析　(1)根據(jù)圖示可知，t0～t1、t2～t3、t3～t4、t5～t6時間段內，v正、v逆相等，反應處于平衡狀態(tài)。
(2)t1時，v正、v逆同時增大，且v逆增大得更快，平衡向逆反應方向移動，所以t1時改變的條件是升溫。t3時，v正、v逆同時增大且增大量相同，平衡不移動，所以t3時改變的條件是加催化劑。t4時，v正、v逆同時減小，但平衡向逆反應方向移動，所以t4時改變的條件是減小壓強。
(3)根據(jù)圖示知，t1～t2、t4～t5時間段內平衡均向逆反應方向移動，NH3的含量均比t0～t1時間段的低，所以t0～t1時間段內NH3的百分含量最高。
(4)t6時刻分離出部分NH3，v逆立刻減小，而v正逐漸減小，在t7時刻二者相等，反應重新達到平衡，據(jù)此可畫出反應速率的變化曲線。
2．濃度(轉化率、百分含量)時間圖像
(1)識圖技巧
分析反應由開始(起始物質相同時)達到平衡所用時間的長短可推知反應條件的變化。
①若為溫度變化引起，溫度較高時，反應達平衡所需時間短。
②若為壓強變化引起，壓強較大時，反應達平衡所需時間短。
③若為是否使用催化劑，使用適宜催化劑時，反應達平衡所需時間短。
(2)應用舉例
①濃度—時間
如A(g)＋B(g)AB(g)

②含量—時間—溫度(壓強)
(C%指產(chǎn)物的質量分數(shù)，B%指某反應物的質量分數(shù))





3．恒壓(或恒溫)線
(α表示反應物的轉化率，c表示反應物的平衡濃度)

圖①，若p1>p2>p3，則正反應為氣體體積減小的反應，ΔH＜0；
圖②，若T1>T2，則正反應為放熱反應。
4．幾種特殊圖像
①對于化學反應mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g)，M點前，表示從反應物開始，v正>v逆；M點為剛達到平衡點(如下圖)；M點后為平衡受溫度的影響情況，即升溫，A的百分含量增加或C的百分含量減少，平衡左移，故正反應ΔH＜0。

②對于化學反應mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g)，L線上所有的點都是平衡點(如下圖)。L線的左上方(E點)，A的百分含量大于此壓強時平衡體系的A的百分含量，所以，E點v正>v逆；則L線的右下方(F點)，v正＜v逆。

應用體驗
1．某化學科研小組研究在其他條件不變時，改變某一條件對化學平衡的影響，得到如下變化規(guī)律(圖中p表示壓強，T表示溫度，n表示物質的量)。


根據(jù)以上規(guī)律判斷，下列結論正確的是(　　)
A．反應Ⅰ：ΔH>0，p2>p1
B．反應Ⅱ：ΔHT1或ΔHc>a
答案　C


3．在一恒容的密閉容器中充入0.1 mol·L－1 CO2、0.1 mol·L－1CH4，在一定條件下發(fā)生反應：CH4(g)＋CO2(g)2CO(g)＋2H2(g)，測得CH4平衡轉化率與溫度、壓強關系如圖，下列有關說法不正確的是(　　)

A．上述反應的ΔHp3>p2>p1
C．1 100 ℃時該反應的平衡常數(shù)約為1.64
D．壓強為p4時，在y點：v正>v逆
答案　A
解析　p1、p2、p3、p4是四條等壓線，由圖像可知，壓強一定時，溫度越高，CH4的平衡轉化率越高，故正反應為吸熱反應，ΔH>0，A項錯誤；該反應為氣體分子數(shù)增加的反應，壓強越高，甲烷的平衡轉化率越小，故壓強p4>p3>p2>p1，B項正確；壓強為p4、溫度為1 100 ℃時，甲烷的平衡轉化率為80.00%，故平衡時各物質的濃度分別為c(CH4)＝0.02 mol·L－1，c(CO2)＝0.02 mol·L－1，c(CO)＝0.16 mol·L－1，c(H2)＝0.16 mol·L－1，即平衡常數(shù)K＝≈1.64，C項正確；壓強為p4時，y點未達到平衡，此時v正>v逆，D項正確。
二、復雜化學平衡圖像分類突破
【題型特點】
化學平衡圖像題，除以常規(guī)圖像形式(如c—t圖、含量—時間—溫度圖、含量—時間—壓強圖、恒壓線圖、恒溫線圖等)考查平衡知識外，又出現(xiàn)了很多新型圖像。這些圖像常與生產(chǎn)生活中的實際問題相結合，從反應時間、投料比值、催化劑的選擇、轉化率等角度考查。圖像形式看似更加難辨，所涉問題看似更加復雜，但只要仔細分析，抓住圖像中的關鍵點(常為最高點、最低點、轉折點)、看清橫坐標、縱坐標代表的條件、弄清曲線的變化趨勢，即可將復雜圖像轉化為常規(guī)圖像。進而運用化學平衡知識進行解答即可。

1．轉化率—投料比—溫度圖像
[例1]　將燃煤廢氣中的CO2轉化為甲醚的反應原理為
2CO2(g)＋6H2(g)CH3OCH3(g)＋3H2O(g)
已知在壓強為a MPa下，該反應在不同溫度、不同投料比時，CO2的轉化率見下圖：

此反應__________(填“放熱”或“吸熱”)；若溫度不變，提高投料比[n(H2)/n(CO2)]，則K將________(填“增大”“減小”或“不變”)。
解析　當投料比一定時，溫度越高，CO2的轉化率越低，所以升溫，平衡左移，正反應為放熱反應。平衡常數(shù)只與溫度有關，不隨投料比的變化而變化。
答案　放熱　不變
2．根據(jù)圖像判斷投料比
[例2]　采用一種新型的催化劑(主要成分是Cu—Mn合金)，利用CO和H2制備二甲醚(DME)。
主反應：2CO(g)＋4H2(g)CH3OCH3(g)＋H2O(g)
副反應：CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)
CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)
測得反應體系中各物質的產(chǎn)率或轉化率與催化劑的關系如圖所示。

則催化劑中n(Mn)/n(Cu)約為________時最有利于二甲醚的合成。
解析　由圖可知當催化劑中n(Mn)/n(Cu)約為2.0時，CO的轉化率最大，生成的二甲醚最多。
答案　2.0
3．廢物回收及污染處理圖像
[例3]　(1)一定條件下，用Fe2O3、NiO或Cr2O3作催化劑對燃煤煙氣進行回收。反應為
2CO(g)＋SO2(g)2CO2(g)＋S(l)
ΔH＝－270 kJ·mol－1
①其他條件相同、催化劑不同，SO2的轉化率隨反應溫度的變化如圖1，F(xiàn)e2O3和NiO作催化劑均能使SO2的轉化率達到最高，不考慮催化劑價格因素，選擇Fe2O3的主要優(yōu)點是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
②某科研小組用Fe2O3作催化劑。在380 ℃時，分別研究了[n(CO)∶n(SO2)]為1∶1、3∶1時SO2轉化率的變化情況(圖2)。則圖2中表示n(CO)∶n(SO2)＝3∶1的變化曲線為__________。
　
(2)目前，科學家正在研究一種以乙烯作為還原劑的脫硝(NO)原理，其脫硝機理示意圖如圖3，脫硝率與溫度、負載率(分子篩中催化劑的質量分數(shù))的關系如圖4所示。
　
①寫出該脫硝原理總反應的化學方程式：______________________________________
__________________________________________________________________________
________________________________。
②為達到最佳脫硝效果，應采取的條件是______________________________________
__________________________________________________________________________
________________________________。
(3)汽車使用乙醇汽油并不能減少NOx的排放，這使NOx的有效消除成為環(huán)保領域的重要課題。某研究小組在實驗室以Ag-ZSM-5為催化劑，測得NO轉化為N2的轉化率隨溫度變化情況如圖5所示。

若不使用CO，溫度超過775 K，發(fā)現(xiàn)NO的分解率降低，其可能的原因是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________；
在n(NO)/n(CO)＝1的條件下，應控制的最佳溫度在________左右。
答案　(1)①Fe2O3作催化劑時，在相對較低溫度可獲得較高的SO2轉化率，從而節(jié)約能源?、赼
(2)①6NO＋3O2＋2C2H43N2＋4CO2＋4H2O
②350 ℃、負載率3.0%
(3)NO分解反應是放熱反應，升高溫度不利于分解反應進行　870 K

1．臭氧在煙氣脫硝中的反應為2NO2(g)＋O3(g)N2O5(g)＋O2(g)。若此反應在恒容密閉容器中進行，相關圖像如下，其中對應分析結論正確的是(　　)
A
B


平衡后升溫，NO2含量降低
0～2 s內，v(O3)＝
0.2 mol·L－1·s－1
C
D


v正：b點>a點
b點：v逆>v正
恒溫，t1時再充入O3

答案　C
解析　由圖可知該反應為放熱反應，平衡后升高溫度，NO2含量升高，A項錯誤；0～2 s內，v(O3)＝0.1 mol·L－1·s－1，B項錯誤；NO2含量相同時，升高溫度，速率增大，v正：b點>a點，b點反應逆向進行，故v逆>v正，C項正確；t1時再充入O3，平衡正向移動，v正＞v逆，D項錯誤。
2．在恒容密閉容器中進行反應：2CO2(g)＋6H2(g)C2H5OH(g)＋3H2O(g)　ΔH。在某壓強下起始時按不同氫碳比投料(如圖中曲線①②③)，測得CO2的平衡轉化率與溫度的關系如圖所示，下列有關說法正確的是(　　)

A．該反應的ΔH>0
B．氫碳比：①②>③，B錯誤；正反應是氣體體積減小的反應，因此其他條件不變的情況下，縮小容器的體積，壓強增大，平衡向正反應方向移動，可提高CO2的轉化率，C錯誤；根據(jù)圖像可知，400 K時曲線③中CO2的轉化率是50%，這說明消耗CO2 1 mol·L－1，則消耗氫氣3 mol·L－1，生成乙醇和水蒸氣分別是0.5 mol·L－1、1.5 mol·L－1，剩余CO2和氫氣分別是1 mol·L－1、1 mol·
L－1，該溫度下平衡常數(shù)K＝≈1.7，D正確。
3．治理SO2、CO、NOx污染是化學工作者研究的重要課題。
Ⅰ.瀝青混凝土可作為反應2CO(g)＋O2(g)2CO2(g)的催化劑。圖甲表示在相同的恒容密閉容器、相同起始濃度、相同反應時間段下，使用同質量的不同瀝青混凝土(α型、β型)催化時，CO的轉化率與溫度的關系。

(1)a、b、c、d四點中，達到平衡狀態(tài)的是________。
(2)已知c點時容器中O2濃度為0.02 mol·L－1，則50 ℃時，在α型瀝青混凝土中CO轉化反應的平衡常數(shù)K＝________(用含x的代數(shù)式表示)。
(3)下列關于圖甲的說法正確的是________(填字母)。
A．CO轉化反應的平衡常數(shù)K(b)＜K(c)
B．在均未達到平衡狀態(tài)時，同溫下β型瀝青混凝土中CO轉化速率比α型要大
C．b點時CO與O2分子之間發(fā)生有效碰撞的幾率在整個實驗過程中最大
D．e點轉化率出現(xiàn)突變的原因可能是溫度升高后催化劑失去活性
Ⅱ.某含鈷催化劑可以催化消除柴油車尾氣中的碳煙(C)和NOx。不同溫度下，將模擬尾氣(成分如表所示)以相同的流速通過該催化劑，測得所有產(chǎn)物(CO2、N2、N2O)與NO的相關數(shù)據(jù)結果如圖乙所示。
模擬尾氣
氣體(10 mol)
碳煙
NO
O2
He
物質的量/mol
0.025
0.5
9.475
n


(4)375 ℃時，測得排出的氣體中含0.45 mol O2和0.052 5 mol CO2，則Y的化學式為________。
(5)實驗過程中采用NO模擬NOx，而不采用NO2的原因是______________________________
__________________________________________________________________________________________________________________。
答案　(1)bcd　(2)　(3)BD　(4)N2O　(5)由于存在反應2NO2N2O4，會導致一定的分析誤差
解析　(1)可逆反應達到平衡狀態(tài)時，轉化率為最大轉化率，因此使用同質量的不同混凝土催化時，b、c對應的轉化率最大，反應達到平衡，升高溫度，平衡左移，一氧化碳的轉化率減小，所以d點也為對應溫度下的平衡狀態(tài)。(2)假設一氧化碳的起始濃度為a mol·L－1，其轉化率為x，則
2CO(g)＋O2(g)2CO2(g)
起始濃度/mol·L－1 a 0
變化濃度/mol·L－1 ax ax
平衡濃度/mol·L－1 a－ax 0.02 ax
平衡常數(shù)K＝＝＝。(3)該反應是放熱反應，升高溫度，平衡常數(shù)減小，A錯誤；由圖可知，在均未達到平衡狀態(tài)時，同溫下β型瀝青混凝土中CO轉化速率比α型要大，B正確；反應物的濃度越大，分子之間發(fā)生有效碰撞的幾率越大，b點為達到平衡狀態(tài)的點，一氧化碳的轉化率最大，剩余物質的濃度最小，有效碰撞幾率不是最大的，C錯誤；溫度太高，催化劑可能會失去活性，催化能力下降，D正確。
(4)模擬尾氣中一氧化氮的物質的量為0.025 mol,375 ℃時參與反應生成X和Y的一氧化氮的物質的量為0.025 mol×(8%＋16%)＝0.006 mol，模擬尾氣中O2的物質的量為0.5 mol，測得排出的氣體中含0.45 mol O2，說明實際參與反應的氧氣的物質的量為0.05 mol，同時測得含有0.052 5 mol CO2，根據(jù)氧原子守恒可以知道一氧化二氮的物質的量為0.05 mol×2＋0.006 mol－0.052 5 mol×2＝0.001 mol，根據(jù)氮原子守恒可以知道氮氣的物質的量為 mol＝0.002 mol，所以16%對應的是氮氣而8%對應的是一氧化二氮。
4．[2015·全國卷Ⅰ，28(4)]Bodensteins研究了下列反應：
2HI(g)H2(g)＋I2(g)　ΔH＞0
在716 K時，氣體混合物中碘化氫的物質的量分數(shù)x(HI)與反應時間t的關系如下表：
t/min
0
20
40
60
80
120
x(HI)
1
0.91
0.85
0.815
0.795
0.784
x(HI)
0
0.60
0.73
0.773
0.780
0.784

①根據(jù)上述實驗結果，該反應的平衡常數(shù)K的計算式為
________________________________________________________________________。
②上述反應中，正反應速率為v正＝k正x2(HI)，逆反應速率為v逆＝k逆x(H2)x(I2)，其中k正、k逆為速率常數(shù)，則k逆為______(以K和k正表示)。若k正＝0.002 7 min－1，在t＝40 min時，v正＝________min－1。
③由上述實驗數(shù)據(jù)計算得到v正～x(HI)和v逆～x(H2)的關系可用下圖表示。當升高到某一溫度時，反應重新達到平衡，相應的點分別為______________(填字母)。

答案　①?、趉正/K　1.95×10－3
③A、E
解析?、?HI(g)H2 (g)＋I2 (g)是反應前后氣體物質的量不變的反應。反應后x(HI)＝0.784，則x(H2)＝x(I2)＝0.108，K＝＝＝。②到達平衡時，v正＝v逆，即k正x2(HI)＝k逆x(H2)x(I2)，k逆＝k正·＝k正/K。在t＝40 min時，x(HI)＝0.85，v正＝k正x2(HI)＝0.002 7 min－1×(0.85)2≈1.95×10－3 min－1。③原平衡時，x(HI)為0.784，x(H2)為0.108，二者在圖中的縱坐標均約為1.6(因為平衡時v正＝v逆)，升高溫度，正、逆反應速率均加快，對應兩點在1.6上面，升高溫度，平衡向正反應方向移動，x(HI)減小(A點符合)，x(H2)增大(E點符合)。

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