2026届高三化学一轮复习 第26讲 化学反应速率与平衡图像分析

第26讲　 化学反应速率与平衡图像分析 (2022·河北卷)恒温恒容条件下，向密闭容器中加入一定量X，发生反应的方程式为①X⇌Y；②Y⇌Z。反应①的速率v1＝k1·c(X)，反应②的速率v2＝k2·c(Y)，式中k1、k2为速率常数。图甲为该体系中X、Y、Z浓度随时间变化的曲线，图乙为反应①和②的 曲线。下列说法错误的是(　　) AB A.随c(X)的减小，反应①、②的速率均降低 B.体系中v(X)＝v(Y)＋v(Z) C.欲提高Y的产率，需提高反应温度且控制反应时间 D.温度低于T1时，总反应速率由反应②决定 【真题导入】 (2022·江苏卷)乙醇—水催化重整可获得H2。 其主要反应为C2H5OH(g)＋3H2O(g)=2CO2(g)＋6H2(g)　ΔH＝＋173.3 kJ·mol－1，CO2(g)＋H2(g)=CO(g)＋H2O(g) ΔH＝＋41.2 kJ·mol－1，在1.0×105 Pa、n始(C2H5OH)∶n始(H2O)＝1∶3时，若仅考虑上述反应，平衡时CO2和CO的选择性及H2的产率随温度的变化如图所示。 【真题导入】 CO的选择性＝×100%，下列说法正确的是(　　) A．图中曲线①表示平衡时H2产率随温度的变化 B．升高温度，平衡时CO的选择性增大 C．一定温度下，增大可提高乙醇平衡转化率 D．一定温度下，加入CaO(s)或选用高效催化剂，均能提高平衡时H2产率 D (2022·浙江1月)AB型强电解质在水中的溶解(可视作特殊的化学反应)表示为AB(s)= An＋(aq)＋Bn－(aq)，其焓变和熵变分别为ΔH和ΔS。对于不同组成的AB型强电解质，下列说法正确的是( 　　) A．ΔH和ΔS均大于零 B．ΔH和ΔS均小于零 C．ΔH可能大于零或小于零，ΔS大于零 D．ΔH和ΔS均可能大于零或小于零 D 【真题导入】 2024全国甲卷-13 根据图像分析：沉淀转化 Ag2CrO4转化为AgCl 体系中离子浓度变化及Ksp计算 2024全国甲卷-28 结合图像分析，多重平衡体系物质转化率、化学平衡常数、速率之比的计算 2024全国新课标 酸溶液中分布系数与PH图像：离子浓度大小关系，Ka 的计算，电离度 2024山东卷-10题 图像分析：在Ag-CH3COOH体系中随pH 的变化粒子浓度的变化关系及Ka 的计算 2024山东卷-15题 摩尔分数-时间-温度曲线图：结合速率方程比较速率常数大小、不同温度速率比值 2024山东卷-20题 原理题：C-H2O-CaO多重平衡体系中，温度升高对应物种温度降低的的原因分析 2024湖南卷-14题 多重反应体系，产物分布分数与投料比关系曲线 2024湖南卷-18题 原理综合题：多重反应体系，单位时间内出料口流出物质的量随时间变化关系图 2024湖北卷-13题 结合图像及Ksp、Ka分析比较微粒浓度大小关系 2024黑吉辽卷 多重平衡体系浓度-时间关系图分析速率、平衡常数、催化剂对平衡转化率的影响。 【考点统计】 1、(1) v-t“渐变”类图像 图像 分析 结论 t1时v′正突然增大，v′逆逐渐增大； v′正＞v′逆，平衡向正反应方向移动 t1时其他条件不变，__________________ t1时v′正突然减小，v′逆逐渐减小； v′逆＞v′正，平衡向逆反应方向移动 t1时其他条件不变， 减小反应物的浓度 t1时v′逆突然增大，v′正逐渐增大； v′逆＞v′正，平衡向逆反应方向移动 t1时其他条件不变，________________ t1时v′逆突然减小，v′正逐渐减小； v′正＞v′逆，平衡向正反应方向移动 t1时其他条件不变， 减小生成物的浓度 增大反应物的浓度 【考点梳理】 考点1 速率与平衡的常规图像分析 增大生成物的浓度 1、(2) v-t“断点”类图像 图像 t1时刻所改变 的条件　 温 度 ____ 降低 升高 降低 t1时刻改变的条件可能是使用催化剂或加压(仅适用于∆n=0的反应)。 正反应为____ 反应 正反应为吸热的反应 压 强 ____ 减小 增大 减小 正反应为气体 物质的量 ____ 的反应 正反应为气体 物质的量减小的反应 升高 放热 增大 增大 【考点梳理】 2、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。 (1)根据图像可知 ①X、Y是反应物，Z是产物。 ②t3 s时反应达到平衡状态，X、Y并没有全部反应，该反应是可逆反应。 ③0～t3 s时间段：Δn(X)＝n1－n3 mol，Δn(Y)＝n2－n3 mol，Δn(Z)＝n2 mol。 【考点梳理】 3、含量—时间—温度(压强) (C%指产物的质量分数，B%指某反应物的质量分数) 先拐先平，数值大 【考点梳理】 4、恒压(或恒温) 图 此类图像的纵坐标为某物质的平衡浓度或转化率，横坐标为温度或压强，注意控制变量，即“定一议二”。反应：aA(g)＋bB(g)⇌cC(g)＋dD(g)　ΔH 图像 结论 a＋b____c＋d，ΔH____0 a＋b____c＋d，ΔH____0 ＞ ＞ ＞ ＞ 【考点梳理】 5、几种特殊图像 (1)对于反应mA(g)＋nB(g)⇌pC(g)＋qD(g) M点前，表示从反应物开始，v正>v逆；M点为刚达到平衡点(如下图)；M点后为平衡受温度的影响情况，即升温，A的百分含量增加或C的百分含量减少，平衡左移，故正反应ΔH＜0。 【考点梳理】 (3) 反应进程类 v-t 图像 Zn与足量盐酸的反应，化学反应速率随时间的变化如图所示。 (1)AB段(v增大)反应放热，溶液温度逐渐升高，v增大； (2)BC段(v减小)溶液中c(H＋)逐渐减小，v减小。 【考点梳理】 (2)对于化学反应mA(g)＋nB(g)⇌pC(g)＋qD(g) L线上所有的点都是平衡点(如下图)。L线的左上方(E点)，A的百分含量大于此压强时平衡体系的A的百分含量，所以，E点v正>v逆；则L线的右下方(F点)，F点v正＜v逆。 (2023·湖南卷)向一恒容密闭容器中加入1 mol CH4和一定量的H2O，发生反应：CH4(g)＋H2O(g)⇌CO(g)＋3H2(g)。CH4的平衡转化率按不同投料比x(x＝)随温度的变化曲线如图所示。下列说法错误的是(　　) A．x1<x2 B．反应速率：vb正<vc正 C．点a、b、c对应的平衡常数：Ka<Kb＝Kc D．反应温度为T1，当容器内压强不变时，反应达到平衡状态 B 【考点梳理】 考点2 实际工业生产中速率与平衡图像分析 ★类型①：转化率——投料比图像 点拨：以N2(g)＋3H2(g)⇌2NH3(g)为例，当N2与H2的投料比为1∶3(系数比)时，N2与H2的平衡转化率相等，且平衡时NH3的体积分数最大； (典例)在保持体系总压为105 Pa的条件下进行反应： SO2(g)＋O2(g)⇌SO3(g)，原料气中SO2和O2的 物质的量之比m（m＝）不同时， SO2的平衡转化率与温度(T)的关系如图所示： (1)图中m1、m2、m3的大小顺序为________ 。 反应的化学平衡常数Kp表达式为________ (用平衡分压代替平衡浓度表示)。 (2)图中A点原料气的成分：n(SO2)＝10 mol，n(O2)＝24.4 mol，n(N2)＝70 mol，达平衡时SO2的分压p(SO2)为________ Pa(分压＝总压×物质的量分数)。 m1>m2>m3 Kp＝ 1 200 ★类型①：转化率——投料比图像 【考点梳理】 (2023·湖南卷)在913 K、100 kPa下，以水蒸气作稀释气。 Fe2O3作催化剂，除乙苯脱氢生成苯乙烯外 [④C6H5C2H5(g)⇌C6H5CH=CH2(g)＋H2(g)]， 还会发生如下两个副反应： ⑤C6H5C2H5(g)⇌C6H6(g)＋CH2=CH2(g) ⑥C6H5C2H5(g)＋H2(g)⇌C6H5CH3(g)＋CH4(g) 上述反应体系中，芳香烃产物苯乙烯、苯和甲苯的选择性S(S＝×100%)随乙苯转 化率的变化曲线如图所示，其中曲线b代表的产物是_______，理由是__________________________________。 苯 反应④为主反应，反应⑤⑥为副反应，苯乙烯的选择性最大；在恒温恒压下，随乙苯转化率的增大，反应⑤正向移动，反应⑥不移动，则曲线b代表产物苯 ★类型②：选择性——温度图像 【考点梳理】 (典例)CO2催化加氢合成二甲醚是CO2资源化利用的方法， 其过程中主要发生如下两个反应： 反应 Ⅰ：CO2(g)＋H2(g)⇌CO(g)＋H2O(g)　ΔH1 反应Ⅱ：2CO2(g)＋6H2(g)⇌CH3OCH3(g)＋3H2O(g)　 ΔH2＝－122.5 kJ·mol－1 在恒压、CO2和H2的起始量一定的条件下，CO2的平衡转化率和平衡时CH3OCH3的选择性随温度的变化如图所示。 已知：CH3OCH3的选择性＝×100% 下列说法不正确的是(　　) A．反应2CO(g)＋4H2(g)⇌CH3OCH3(g)＋H2O(g)的焓变为ΔH2－2ΔH1 B．根据图像推测ΔH1>0 C．其他条件不变时，温度越高，CO2主要还原产物中碳元素的价态越低 D．其他条件不变时，增大体系压强可以提高A点CH3OCH3的选择性 C 【考点梳理】 ★类型②：选择性——温度图像 (2023·湖北卷)纳米碗C40H10是一种奇特的碗状共轭体系。高温条件下可以由C40H20分子经过连续5步氢抽提和闭环脱氢反应生成。C40H20(g)C40H18(g)＋H2(g)的反应机理和能量变化如下： 下列措施既能提高反应物平衡转化率，又能增大生成C40H10的反应速率的是_____(填标号)。 a．升高温度　 b．增大压强　 c．加入催化剂 a ★类型③：最佳反应条件图像 【考点梳理】 (2023·浙江1月)“碳达峰·碳中和”是我国社会发展重大战略之一，CH4还原CO2是实现“双碳”经济的有效途径之一，相关的主要反应有： Ⅰ：CH4(g)＋CO2(g)⇌2CO(g)＋2H2(g)　ΔH1＝＋247 kJ·mol－1，K1 Ⅱ：CO2(g)＋H2(g)⇌CO(g)＋H2O(g)　ΔH2＝＋41 kJ·mol－1，K2 CH4还原能力(R)可衡量CO2转化效率，R＝Δn(CO2)/Δn(CH4)(同一时段内CO2与CH4的物质的量变化量之比)。催化剂X可提高R值，一时段内CH4转化率、R值随温度变化如下： 温度/℃ 480 500 520 550 CH4转化率/% 7.9 11.5 20.2 34.8 R 2.6 2.4 2.1 1.8 下列说法不正确的是________。 A．R值提高是由于催化剂X选择性地提高反应Ⅱ的速率 B．温度越低，含氢产物中H2O占比越高 C．温度升高，CH4转化率增加，CO2转化率降低，R值减小 D．改变催化剂提高CH4转化率，R值不一定增大 C ★类型③：最佳反应条件图像 【考点梳理】 ΔH<0 ΔH＞0 1、化学反应的方向 熵的大小关系： ①同种物质：S(气)>S(液)>S(固) ②相同状态的同种物质：n越大→S越大 ③相同条件、n相同：S(单质)<S(化合物) 当ΔG＜0时，反应___自发进行； 当ΔG＝0时，反应处于平衡状态； 当ΔG＞0时，反应不能自发进行。 能 【考点梳理】 考点3 化学反应的方向与调控 【回归教材】 2、化学反应的调控 条件 原则 从化学反应速率分析 既不能过快，又不能太慢 从化学平衡移动分析 既要注意外界条件对速率和平衡影响的一致性，又要注意二者影响的矛盾性，尽可能使化学平衡向生成所需产物的方向移动 从原料的利用率分析 增加易得廉价原料，提高难得高价原料的利用率，循环利用从而降低生产成本 从实际生产能力分析 既要注意理论上的需要，又要考虑实际生产(如设备条件、安全操作、经济成本等)的可能性 从催化剂的使用分析 ①防止催化剂中毒，增加乳化装置； ②温度对催化剂活性的影响； ③应用催化剂的选择性，控制副反应，提高产率，降低生产成本 【考点梳理】 3、工业合成氨反应的适宜条件 ⇌ 条件 提高反应速率 提高平衡转化率 综合结果 适宜条件 压强 温度 催化剂 浓度 增大_____ 浓度 ____反应物浓度，____反应产物浓度 高压 高压 高压 使用 无影响 使用 高温 低温 兼顾速率和平衡， 且考虑催化剂活性 反应物 增大 降低 增大反应物的浓度 不断减小产物浓度 1×107～1×108 Pa (教材：10 ~30 MPa) 700 K左右 (教材：400~500 ℃) 铁触媒(以铁为主体的 多成分催化剂) N2、H2投料比为1∶2.8 氨及时分离出去， 剩余气体循环使用 【考点梳理】 【回归教材】 4、合成氨工业的简要流程 ①原料气的制取 N2：将空气液化、蒸发分离出N2或者将空气中的O2与碳作用生成CO2，除去CO2后得N2。 H2：用水和燃料(煤、焦炭、石油、天然气等)在高温下制取。用煤和水制H2的主要反应为 ②制得的N2、H2需净化除杂(防止催化剂中毒)，再用压缩机压缩至高压。 ③氨的合成：在适宜的条件下，在合成塔中进行。 ④氨的分离：经冷凝使氨液化，将氨分离出来，为提高原料的利用率，将没有完全反应的N2和H2循环送入合成塔，使其被充分利用。 【考点梳理】 1.(2022·广东卷)在相同条件下研究催化剂Ⅰ、Ⅱ对反应X→2Y的影响，各物质 浓度c随反应时间t的部分变化曲线如图，则(　　) A.无催化剂时，反应不能进行 B.与催化剂Ⅰ相比，Ⅱ使反应活化能更低 C.a曲线表示使用催化剂Ⅱ时X的浓度随t的变化 D.使用催化剂Ⅰ时，0～2 min内，v(X)＝1.0 mol·L－1·min－1 D 【典例分析】 2、(2021·湖南卷)已知：A(g)＋2B(g)⇌3C(g)　ΔH＜0，向一恒温恒容的密闭容器中充入1 mol A和3 mol B发生反应，t1时达到平衡状态I，在t2时改变某一条件，t3时重新达到平衡状态Ⅱ，正反应速率随时间的变化如图所示。下列说法正确的是________。 a．容器内压强不变，表明反应达到平衡 b．t2时改变的条件：向容器中加入C c．平衡时A的体积分数φ：φ(Ⅱ)＞φ(Ⅰ) d．平衡常数K：K(Ⅱ)＜K(Ⅰ) bc 【典例分析】 3、(2023·辽宁卷)接触法制硫酸的关键反应为SO2的催化氧化： SO2(g)＋O2(g)⇌SO3(g)　ΔH＝－98.9 kJ·mol－1 (ⅰ)为寻求固定投料比下不同反应阶段的最佳生产温度，绘制相应转化率(α)下反应速率(数值已略去)与温度的关系如下图所示，下列说法正确的是________。 a．温度越高，反应速率越大 b．α＝0.88的曲线代表平衡转化率 c．α越大，反应速率最大值对应温度越低 d．可根据不同α下的最大速率，选择最佳生产温度 cd 【典例分析】 4、(2021年浙江)含硫化合物是实验室和工业上的常用化学品。请回答：  实验室可用铜与浓硫酸反应制备少量SO2： Cu(s) ＋ 2H2SO4(l) ＝ CuSO4(s) ＋SO2(g) ＋ 2H2O(l)；ΔH ＝ －11.9 kJ·mol¯1 。 判断该反应的自发性并说明理由_________ 。 任何温度下都能自发，是因为H＜0，S＞0 (2021年湖南卷)已知该反应 N2 ＋ 3H2(g) ⇌2NH3(g) ；ΔH ＝ +90.8kJ·mol-1 ； ΔS ＝ 198.9J·mol-1·K-1 ，在下列哪些温度下反应能自发进行？__________(填标号) A．25 ℃ B．125 ℃ C．225 ℃ D．325 ℃ CD 【典例分析】 5、(2023·新课标) 氨是最重要的化学品之一，我国目前氨的生产能力位居世界首位。在不同压强下，以两种不同组成进料，反应达平衡时氨的摩尔分数与温度的计算结果如下图所示。其中一种进料组成为xH2＝0.75、xN2＝0.25，另一种为xH2＝0.675、xN2＝0.225、xAr＝0.10。 (物质i的摩尔分数：xi＝) ①图中压强由小到大的顺序为________ ，判断的依据是 _________________________________________ 。 ②进料组成中含有惰性气体Ar的图是________。 p1＜p2＜p3 合成氨的反应为气体分子数减少的反应， 压强越大平衡时氨的摩尔分数越大 图4 【典例分析】 6. (2022·湖北卷)工业合成氨是人类科学技术的一项重大突破，其反应为：N2(g)＋3H2(g)⇌2NH3(g)　ΔH＝－92.4 kJ·mol－1，ΔS＝－200 J·K－1·mol－1。回答下列问题：(1)合成氨反应在常温下________(填“能”或“不能”)自发。(2)________温(填“高”或“低”，下同)有利于提高反应速率，________温有利于提高平衡转化率，综合考虑催化剂(铁触媒)活性等因素，工业常采用400～500 ℃。针对反应速率与平衡产率的矛盾，我国科学家提出了两种解决方案。 能　 高　 低 【典例分析】 (3)方案二：M－LiH复合催化剂。 下列说法正确的是________。 a.300 ℃时，复合催化剂比单一催化剂效率更高 b.同温同压下，复合催化剂有利于提高氨的平衡产率 c.温度越高，复合催化剂活性一定越高 a 7．丙烯是制造一次性医用口罩的重要原料。丙烷催化脱氢法是工业生产丙烯的重要途径，丙烷催化脱氢技术主要分为氧化脱氢和直接脱氢两种。回答下列问题： (1)丙烷催化氧化脱氢法制备丙烯的主要反应如下： 2C3H8(g)＋O2(g) 催化剂2C3H6(g)＋2H2O(g)　ΔH1＝－236 kJ·mol－1(ⅰ) 反应过程中消耗的C3H8和 生成的C3H6 的物质的量随温度的变化关系见下表。 　　　　　　　　反应温度 n(消耗)或n(生成)/mol　　　　　　 535 550 575 C3H8 6 13 33 C3H6 4 8 17 分析表中数据得到丙烯的选择性随温度的升高而________(“不变”“升高”或“降低”)；出现此结果的原因除生成乙烯等副产物外还可能是____________________________________。(C3H6的选择性＝×100%) 降低 升高温度，反应ⅰ的化学平衡逆向移动 【典例分析】 (2)丙烷催化直接脱氢反应：C3H8(g)⇌C3H6(g)＋H2(g)ΔH2＝＋124.3 kJ·mol －1(ⅱ)　 副反应：C3H8 (g)⇌C2H4 (g)＋CH4(g)　ΔH3(ⅲ) ①反应ⅱ的平衡常数、产物丙烯选择性、副产物乙烯选择性与温度关系如图所示， 分析工业生产中采用的温度为650 ℃左右的原因是_____________________________________。 ②温度为670 ℃时，若在1 L的容器中投入，充分反应后，平衡混合气体中有2 mol CH4和一定量C3H8、C3H6、H2、C2H4，计算该条件下C3H6的选择性为______%。 ③欲使丙烯的产率提高，下列措施可行的是____(填写字母)。 a．恒压条件下向原料气中掺杂水蒸气 b．增大氢气与丙烷的投料比 c．选择对脱氢反应更好选择性的催化剂 d．增大压强 温度控制在650 ℃ ，丙烯选择性高， 反应速率快，平衡常数较大 50 ac 【典例分析】 (2)根据图像可进行如下计算 ①某物质的平均速率、转化率，如v(X)＝eq \f(n1－n3,V·t3) mol·L－1·s－1；Y的转化率等。 ②确定化学方程式中X、Y、Z三种计量数比为(n1－n3)∶(n2－n3)∶n2。 N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH＝－92.2 kJ·mol－1，ΔS＝－198.2 J·K－1·mol－1。 C＋H2O(g)eq \o(=====,\s\up15(高温))CO＋H2，CO＋H2O(g)eq \o(=====,\s\up15(催化剂))CO2＋H2。 $$