高考化学专题 “有图有真相”的复杂化学平衡图像

高考化学专题-------“有道可寻”的复杂化学平衡图像化学平衡图像题，除以常规图像形式(如c­t图、含量—时间—温度图、含量—时间—压强图、恒压线图、恒温线图等)考查平衡知识外，又出现了很多新型图像。这些图像常与生产生活中的实际问题相结合，从反应时间、投料比值、催化剂的选择、转化率等角度考查。图像形式看似更加难辨，所涉问题看似更加复杂，但只要仔细分析，抓住图像中的关键点(常为最高点、最低点、转折点)、看清横坐标、纵坐标代表的条件、弄清曲线的变化趋势，即可将复杂图像转化为常规图像。进而运用化学平衡知识进行解答即可。其解题模板如右所示。[常见考法]考法(一)转化率—催化剂—温度图像[典例1]一定条件下，用Fe2O3、NiO或Cr2O3作催化剂对燃煤烟气回收。反应为2CO(g)＋SO2(g)催化剂2CO2(g)＋S(l)ΔH＝－270kJ·mol－1①其他条件相同、催化剂不同，SO2的转化率随反应温度的变化如图1，Fe2O3和NiO作催化剂均能使SO2的转化率达到最高，不考虑催化剂价格因素，选择Fe2O3的主要优点是：________________________________________________________________________。[答案]①Fe2O3作催化剂时，在相对较低的温度可获得较高的SO2转化率，从而节约能源②a考法(二)转化率—投料比—温度图像[典例2]将燃煤废气中的CO2转化为甲醚的反应原理为2CO2(g)＋6H2(g)催化剂CH3OCH3(g)＋3H2O(g)，已知在压强为aMPa下，该反应在不同温度、不同投料比时，CO2的转化率见下图：[答案]放热不变考法(三)转化率—催化剂图像[典例3]采用一种新型的催化剂(主要成分是Cu­Mn合金)，利用CO和H2制备二甲醚(DME)。主反应：2CO(g)＋4H2(g)CH3OCH3(g)＋H2O(g)副反应：CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)测得反应体系中各物质的产率或转化率与催化剂的关系如图所示。则催化剂中n(Mn)/n(Cu)约为________时最有利于二甲醚的合成。[答案]2.0[多角练透]1．(2017·全国卷Ⅱ)丁烯是一种重要的化工原料，可由丁烷催化脱氢制备。回答下列问题：(1)正丁烷(C4H10)脱氢制1­丁烯(C4H8)的热化学方程式如下：①C4H10(g)===C4H8(g)＋H2(g)ΔH1＝＋123kJ·mol－1已知：②C4H10(g)＋12O2(g)===C4H8(g)＋H2O(g)ΔH2＝－119kJ·mol－1③H2(g)＋12O2(g)===H2O(g)ΔH3＝－242kJ·mol－1图(a)是反应①平衡转化率与反应温度及压强的关系图，x________0.1(填“大于”或“小于”)；欲使丁烯的平衡产率提高，应采取的措施是________(填标号)。A．升高温度B．降低温度C．增大压强D．降低压强(2)丁烷和氢气的混合气体以一定流速通过填充有催化剂的反应器(氢气的作用是活化催化剂)，出口气中含有丁烯、丁烷、氢气等。图(b)为丁烯产率与进料气中n(氢气)/n(丁烷)的关系。图中曲线呈现先升高后降低的变化趋势，其降低的原因是________________________________________________________________________。(3)图(c)为反应产率和反应温度的关系曲线，副产物主要是高温裂解生成的短碳链烃类化合物。丁烯产率在590℃之前随温度升高而增大的原因可能是________________、________________；590℃之后，丁烯产率快速降低的主要原因可能是________________________________________________________________________________________________________________________________________________。解析：(1)反应①为气体总体积增大的反应，在温度相同时降低压强有利于提高平衡转化率，故x0.1。反应①为吸热反应，升高温度有利于平衡正向移动，A项正确；降低压强平衡向气体总体积增大的方向移动，D项正确。(2)结合图(b)可看出随着n(氢气)/n(丁烷)增大，丁烯产率先升高后降低，这是因为氢气是生成物，当n(氢气)/n(丁烷)逐渐增大时，逆反应速率加快，故丁烯的产率逐渐降低。(3)在590℃之前随温度升高丁烯产率逐渐增大，这是因为温度升高不仅能加快反应速率，还能促使平衡正向移动；但温度高于590℃时，丁烯高温裂解生成短链烃类，导致丁烯产率快速降低。答案：(1)小于AD(2)氢气是产物之一，随着n(氢气)/n(丁烷)增大，逆反应速率增大(3)升高温度有利于反应向吸热方向进行温度升高反应速率加快丁烯高温裂解生成短链烃类2．(2015·全国卷Ⅰ)Bodensteins研究了下列反应：2HI(g)H2(g)＋I2(g)在716K时，气体混合物中碘化氢的物质的量分数x(HI)与反应时间t的关系如下表：t/min020406080120x(HI)10.910.850.8150.7950.784x(HI)00.600.730.7730.7800.784(1)根据上述实验结果，该反应的平衡常数K的计算式为________。(2)上述反应中，正反应速率为v正＝k正x2(HI)，逆反应速率为v逆＝k逆x(H2)x(I2)，其中k正、k逆为速率常数，则k逆为________(以K和k正表示)。若k正＝0.0027min－1，在t＝40min时，v正＝________min－1。(3)由上述实验数据计算得到v正～x(HI)和v逆～x(H2)的关系可用下图表示。当升高到某一温度时，反应重新达到平衡，相应的点分别为________(填字母)。解析：(1)由表中数据可知，无论是从正反应方向开始，还是从逆反应方向开始，最终x(HI)均为0.784，说明此时已达到了平衡状态。设HI的初始浓度为1mol·L－1，则：2HI(g)H2(g)＋I2(g)起始(mol·L－1)100变化(mol·L－1)0.2160.1080.108平衡(mol·L－1)0.7840.1080.108K＝cH2·cI2c2HI＝0.108×0.1080.7842。(2)建立平衡时，v正＝v逆，即k正x2(HI)＝k逆x(H2)·x(I2)，k逆＝x2HIxH2·xI2k正。由于该反应前后气体分子数不变，故k逆＝x2HIxH2·xI2k正＝c2HIcH2·cI2k正＝k正K。在40min时，x(HI)＝0.85，则v正＝0.0027min－1×0.852≈1.95×10－3min－1。(3)因2HI(g)H2(g)＋I2(g)ΔH＞0，升高温度，v正、v逆均增大，且平衡向正反应方向移动，HI的物质的量分数减小，H2、I2的物质的量分数增大。因此，反应重新达到平衡后，相应的点分别应为A点和E点。答案：(1)0.108×0.1080.7842(2)k正K1.95×10－3(3)A、E3．氮和碳的化合物与人类生产、生活密切相关。(1)在压强为0.1MPa条件下，将CO和H2的混合气体在催化剂作用下转化为甲醇的反应为CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)ΔH0。①下列有关叙述能说明该反应达到平衡状态的是________(填字母)。a．混合气体的密度不再变化b．CO和H2的物质的量之比不再变化c．v正(H2)＝v逆(CH3OH)d．CO在混合气体中的质量分数保持不变②T1℃时，在一个容积为5L的恒压容器中充入1molCO、2molH2，经过5min达到平衡，CO的转化率为0.75，则T1℃时，CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)的平衡常数K＝________。③T1℃时，在容积为5L的恒容容器中充入一定量的H2和CO，反应达到平衡时CH3OH的体积分数与nH2nCO的关系如图甲所示。温度不变，当nH2nCO＝2.5时，达到平衡状态，CH3OH的体积分数可能是图像中的________点。(2)用催化转化装置净化汽车尾气，装置中涉及的反应之一为2NO(g)＋2CO(g)N2(g)＋2CO2(g)。①探究上述反应中NO的平衡转化率与压强、温度的关系，得到如图乙所示的曲线。催化装置比较适合的温度和压强是________________。②测试某型号汽车在冷启动(冷启动指发动机水温低的情况下启动)时催化装置内CO和NO百分含量随时间变化曲线如图丙所示。则前10s内，CO和NO百分含量无明显变化的原因是________________________________________________________________________。解析：(1)①恒压条件下进行反应CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)，容器的容积不断变化，混合气体的总质量不变，则气体的密度不断变化，若混合气体的密度不再变化，则达到平衡状态，a正确；若按物质的量之比为1∶2投入CO和H2，则二者的物质的量之比一直不变，b错误；达到平衡时，v正(H2)＝2v逆(CH3OH)，c错误；CO在混合气体中的质量分数保持不变，则n(CO)保持不变，该反应达到平衡状态，d正确。②T1℃时，恒压容器中进行反应，经过5min达到平衡，CO的转化率为0.75，则平衡时混合气体的总物质的量为1.5mol；根据恒温恒压时，气体的体积之比等于其物质的量之比，此时容器的容积为5L×1.5mol3mol＝2.5L，则平衡时CO(g)、H2(g)、CH3OH(g)的浓度分别为0.1mol·L－1、0.2mol·L－1、0.3mol·L－1，故T1℃时，该反应的平衡常数K＝cCH3OHcCO·c2H2＝0.30.1×0.22＝75。③T1℃时，图甲中C点nH2nCO＝2，nH2nCO由2变为2.5，相当于增加H2的量，平衡正向移动，根据勒夏特列原理分析可知，n(CH3OH)增加量小于n总(气体)的增加量，则CH3OH的体积分数减小，故图中F点符合要求。(2)①由图乙可知，在压强一定时，温度越低，NO的平衡转化率越高，故应选用400K下进行反应；在400K时，增大压强，NO的平衡转化率变化不大，故可选在较低压强下进行反应，降低对设备的要求，可选用压强为1MPa的条件。②汽车在冷启动时，发动机水温低，催化装置中催化剂未达到其理想的工作温度，反应2NO(g)＋2CO(g)N2(g)＋2CO2(g)进行的程度较小，故CO和NO百分含量没明显变化。答案：(1)①ad②75③F(2)①400K、1MPa②尚未达到催化剂工作温度(或尚未达到反应所需的温度)[命题热点强化练]1．烟气(主要污染物SO2、NOx)经O3预处理后用CaSO3水悬浮液吸收，可减少烟气中SO2、NOx的含量。O3氧化烟气中SO2、NOx的主要反应的热化学方程式为NO(g)＋O3(g)===NO2(g)＋O2(g)ΔH＝－200.9kJ·mol－1NO(g)＋12O2(g)===NO2(g)ΔH＝－58.2kJ·mol－1SO2(g)＋O3(g)===SO3(g)＋O2(g)ΔH＝－241.6kJ·mol－1(1)反应3NO(g)＋O3(g)===3NO2(g)的ΔH＝_____________kJ·mol－1。(2)室温下，固定进入反应器的NO、SO2的物质的量，改变加入O3的物质的量，反应一段时间后体系中n(NO)、n(NO2)和n(SO2)随反应前n(O3)∶n(NO)的变化见下图。①当n(O3)∶n(NO)＞1时，反应后NO2的物质的量减少，其原因是________________________________________________________________________。②增加n(O3)，O3氧化S