第6講

工業(yè)生產(chǎn)中的化學(xué)平衡圖像分析(綜合應(yīng)用課)在工業(yè)生產(chǎn)過程中，如何提升原料利用率、降低化學(xué)反應(yīng)條件、提高產(chǎn)物的產(chǎn)率等是化學(xué)工作者研究的重要課題。命題者往往根據(jù)實際工業(yè)生產(chǎn)、結(jié)合圖像，從分析投料比、轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)率等角度來命題。此類題目的信息量大，能充分考查學(xué)生讀圖、提取信息、解決實際問題的能力，此類試題成為高考命題的“新寵”。(3)方案二：M-LiH復(fù)合催化劑。下列說法正確的是______。a．300℃時，復(fù)合催化劑比單一催化劑效率更高b．同溫同壓下，復(fù)合催化劑有利于提高氨的平衡產(chǎn)率c．溫度越高，復(fù)合催化劑活性一定越高解析：(1)對于合成氨反應(yīng)，常溫下，ΔG＝ΔH－TΔS＝－92.4kJ·mol－1－298K×(－0.2kJ·K－1·mol－1)＝－32.8kJ·mol－1<0，故合成氨反應(yīng)在常溫下能自發(fā)進行；(2)其他條件一定時，升高溫度，可以提供更高的能量，使活化分子百分數(shù)增大，反應(yīng)速率加快；合成氨反應(yīng)是放熱反應(yīng)，要提高平衡轉(zhuǎn)化率，即使反應(yīng)平衡正向移動，應(yīng)降低溫度；(3)由題圖可知，300℃時，復(fù)合催化劑催化時合成氨反應(yīng)的反應(yīng)速率比單一催化劑催化時大很多，說明300℃時復(fù)合催化劑比單一催化劑效率更高，a正確；同溫同壓下，復(fù)合催化劑能提高反應(yīng)速率，但不能使平衡發(fā)生移動，故不能提高氨的平衡產(chǎn)率，b錯誤；溫度過高，復(fù)合催化劑可能會失去活性，催化效率反而降低，c錯誤。答案：(1)能(2)高

低(3)a2．(2022·全國乙卷·節(jié)選)油氣開采、石油化工、煤化工等行業(yè)廢氣普遍含有的硫化氫，需要回收處理并加以利用。回答下列問題：已知H2S熱分解反應(yīng)的方程式為2H2S(g)===S2(g)＋2H2(g)。在1373K、100kPa反應(yīng)條件下，對于n(H2S)∶n(Ar)分別為4∶1、1∶1、1∶4、1∶9、1∶19的H2S-Ar混合氣，熱分解反應(yīng)過程中H2S轉(zhuǎn)化率隨時間的變化如圖所示。(1)n(H2S)∶n(Ar)越小，H2S平衡轉(zhuǎn)化率_____________________，理由是__________________________________________________。(2)n(H2S)∶n(Ar)＝1∶9對應(yīng)圖中曲線________________________，計算其在0～0.1s之間，H2S分壓的平均變化率為_______kPa·s－1。解析：(1)由于正反應(yīng)是體積增大的可逆反應(yīng)，n(H2S)∶n(Ar)越小，總壓不變，H2S的分壓越小，越有利于平衡向正反應(yīng)方向移動，因此H2S平衡轉(zhuǎn)化率越高；(2)n(H2S)∶n(Ar)越小，H2S平衡轉(zhuǎn)化率越高，所以n(H2S)∶n(Ar)＝1∶9對應(yīng)的曲線是d；根據(jù)圖像可知n(H2S)∶n(Ar)＝1∶9反應(yīng)進行到0.1s時H2S轉(zhuǎn)化率為24%。假設(shè)在該條件下，硫化氫和氬的起始投料的物質(zhì)的量分別為1mol和9mol，則根據(jù)三段式可知(1)用各物質(zhì)的平衡分壓表示總反應(yīng)的平衡常數(shù)，表達式Kp＝____________________。(2)圖中對應(yīng)等壓過程的曲線是____________________，判斷的理由是____________________。(3)當(dāng)x(CH3OH)＝0.10時，CO2的平衡轉(zhuǎn)化率α＝_____，反應(yīng)條件可能為____________________或____________________。(2)H2和CO2合成甲醇的總反應(yīng)為放熱反應(yīng)，則升高溫度，平衡向逆反應(yīng)方向移動，即混合氣體中的甲醇蒸氣含量減小，故曲線b為5×105Pa時等壓過程的曲線，而曲線a為250℃時等溫過程的曲線。(2)b

總反應(yīng)ΔH<0，升高溫度時平衡向逆反應(yīng)方向移動，甲醇的物質(zhì)的量分數(shù)變小

(3)33.3%5×105Pa、210℃9×105Pa、250℃一、圖像解讀的關(guān)注點和思維趨向1．捕捉圖像最基本的信息(1)橫坐標與縱坐標的含義橫坐標通常是t、T、p等(即時間、溫度、壓強等)縱坐標通常是v、c、n、α、φ等(即速率、物質(zhì)的量濃度、物質(zhì)的量、轉(zhuǎn)化率、體積分數(shù)等)(2)線的走向與斜率①線的走向：即隨著橫坐標自變量的增大，縱坐標因變量是變大、變小、還是不變。當(dāng)縱坐標所表示的物理量，如速率、物質(zhì)的量濃度、物質(zhì)的量、轉(zhuǎn)化率或體積分數(shù)等不隨橫坐標的變化而變化時，圖像中出現(xiàn)一條直線，那么該反應(yīng)就到達化學(xué)平衡狀態(tài)。②斜率：是化學(xué)平衡圖像曲線中一個重要的參數(shù)。斜率的應(yīng)用，通常是對兩條不同曲線的斜率進行比較，或者通過比較同一條曲線不同時刻的斜率變化來判斷反應(yīng)是改變了哪些外界條件。(3)觀察化學(xué)平衡圖像中的“重點”所謂的“重點”，指的就是化學(xué)平衡圖像中的起點、拐點、終點、交點、突變點等，這些點往往隱藏著許多重要的信息，借助這些“重點”中的有效信息，能夠快速地找到解題的思路，突破圖像題的難點。(4)跟蹤化學(xué)平衡圖像中量的變化量的變化，指的是縱坐標表示的物理量所發(fā)生的變化是由什么外界條件改變而引起的。要解決這個問題，我們經(jīng)常要借助化學(xué)平衡移動理論。2．靈活運用解題技巧先拐先平在化學(xué)平衡圖像中，先出現(xiàn)拐點的反應(yīng)先達到平衡，可能是該反應(yīng)的溫度高、濃度大、壓強大或使用了催化劑定一議二勒夏特列原理只適用于一個條件的改變，所以圖像中有三個變量，先固定一個量，再討論另外兩個量的關(guān)系1．“轉(zhuǎn)化率—時間”四種圖像

[注意]

縱坐標也可以是某組分的含量。2．解答這類圖像題應(yīng)遵循的原則和方法“先拐先平，數(shù)值大”原則分析反應(yīng)由開始(起始物質(zhì)相同時)至達到平衡所用時間的長短可推知反應(yīng)條件的變化。①若為溫度變化引起，溫度較高時，反應(yīng)達平衡所需時間短。如甲圖500℃先達平衡。②若為壓強變化引起，壓強較大時，反應(yīng)達平衡所需時間短。如乙、丙、丁圖1.01×107Pa先達平衡掌握圖像中反應(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，正反應(yīng)為放熱反應(yīng)。②圖乙中，增大壓強，A的轉(zhuǎn)化率升高，平衡正向移動，則正反應(yīng)為氣體體積減小的反應(yīng)。③若縱坐標表示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)續(xù)表解析：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，NO的含量降低，故A項正確，C項錯誤；該反應(yīng)的正反應(yīng)是氣體體積增大的反應(yīng)，壓強減小平衡正向移動，NO的含量增大，故B項正確；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，NO的含量不變，故D項正確。答案：C答案：B類型(二)“定一議二”解決多種變量的平衡圖像1．“A的轉(zhuǎn)化率(或C的含量)—溫度—壓強”四種圖像2.解答這類圖像題時應(yīng)運用“定一議二”原則相同溫度下不同壓強由反應(yīng)物A的轉(zhuǎn)化率大小來判斷平衡移動的方向，從而確定反應(yīng)方程式中反應(yīng)物與產(chǎn)物氣體物質(zhì)間的化學(xué)計量數(shù)的大小關(guān)系。如圖甲中任取一條溫度曲線研究，壓強增大，A的轉(zhuǎn)化率增大，平衡正向移動，正反應(yīng)為氣體體積減小的反應(yīng)，圖丙中任取橫坐標一點作橫坐標垂直線，也能得出相同結(jié)論相同壓強下不同溫度由反應(yīng)物A的轉(zhuǎn)化率的大小來判斷平衡移動的方向，從而確定反應(yīng)的熱效應(yīng)。如圖丙中任取一條壓強曲線研究，溫度升高，A的轉(zhuǎn)化率減小，平衡逆向移動，正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，圖乙中任取橫坐標一點作橫坐標垂直線，也能得出相同結(jié)論解析：A項，由圖觀察，溫度越高，碳的平衡轉(zhuǎn)化率越大，平衡正向移動，正反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，正確；B項，X點是未平衡時，反應(yīng)正向進行，正反應(yīng)速率大于逆反應(yīng)速率，錯誤；D項，該選擇的原因是兩者轉(zhuǎn)化率相差不大，但壓強增大對設(shè)備要求高，能量需求大，錯誤。答案：A(1)此反應(yīng)的平衡常數(shù)表達式K＝______。(2)該反應(yīng)的ΔH______0(填“＞”“＜”或“＝”)，判斷的理由是______________________________。(3)氫碳比：X______2.0(填“＞”“＜”或“＝”)。(4)在氫碳比為2.0時，Q點v(逆)______P點的v(逆)(填“＞”“＜”或“＝”)。解析：(2)隨溫度升高，α(CO2)減小，說明為放熱反應(yīng)，ΔH＜0；(3)在相同溫度下，X越大，n(H2)相對越多，α(CO2)越大，故X＞2.0；(4)Q點為非平衡點，該溫度下，Q點到P點時α(CO2)增大，反應(yīng)正向進行，Q點的v正＞v逆，Q點到P點的過程中v正減小，v逆增大，故Q點的v逆＜P點的v逆。(2)＜

隨溫度的升高，α(CO2)減小，說明反應(yīng)向逆向移動，即逆反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，正反應(yīng)為放熱反應(yīng)

(3)＞

(4)＜類型

三

反應(yīng)過程中特定組分的含量變化A．X、Y兩點對應(yīng)的正反應(yīng)速率相等B．合成二甲醚反應(yīng)的ΔH>0C．反應(yīng)溫度應(yīng)控制在240～260℃D．選擇合適催化劑，可以提高CO的轉(zhuǎn)化率解析：X、Y兩點所對應(yīng)的溫度不同，故正反應(yīng)速率不同，A項錯誤；CO轉(zhuǎn)化率達到最高后再升溫，轉(zhuǎn)化率降低，故合成二甲醚的反應(yīng)為放熱反應(yīng)，即ΔH<0，B項錯誤；由圖像可知，CO的轉(zhuǎn)化率在240～260℃可達到最高點，即轉(zhuǎn)化率較大，C項正確；催化劑只能改變化學(xué)反應(yīng)速率，不能使平衡移動，不能提高CO的轉(zhuǎn)化率，D項錯誤。答案：C(1)c點的逆反應(yīng)速率和d點的正反應(yīng)速率的大小關(guān)系為v逆(c)______v正(d)(填“>”“＝”或“<”)。(2)b、c、d三點的平衡常數(shù)Kb、Kc、Kd從大到小的順序為__________________。(3)T3～T4溫度區(qū)間，容器內(nèi)CO2氣體濃度呈現(xiàn)增大的變化趨勢，其原因是______________________________________________________。答案：(1)<(2)Kb>Kc>Kd

(3)T3～T4區(qū)間，化學(xué)反應(yīng)已達到平衡，由于正反應(yīng)是放熱反應(yīng)，溫度升高平衡向逆反應(yīng)方向移動，不利于CO2的捕獲三、化工生產(chǎn)中的復(fù)雜圖像分析(一)關(guān)注4類常考圖像關(guān)注點1曲線上的每個點是否都達到平衡往往需要通過曲線的升降趨勢或斜率變化來判斷，如果還未達到平衡則不能使用平衡移動原理，只有達到平衡以后的點才能應(yīng)用平衡移動原理。關(guān)注點2催化劑的活性是否受溫度的影響不同的催化劑因選擇性不同受溫度的影響也會不同。一般來說，催化劑的活性在一定溫度下最高，低于或高于這個溫度都會下降。如以二氧化鈦表面覆蓋Cu2Al2O4為催化劑，可以將CO2和CH4直接轉(zhuǎn)化成乙酸。在不同溫度下催化劑的催化效率與乙酸的生成速率如圖所示。則根據(jù)兩條曲線可以判斷涉及影響反應(yīng)速率的兩個因素：催化劑和溫度，250～300℃時，溫度升高而乙酸的生成速率降低的原因是溫度超過250℃時，催化劑的催化效率降低。關(guān)注點3不同的投料比對產(chǎn)率也會造成影響可以根據(jù)定一議二的方法，根據(jù)相同投料比下溫度或壓強的改變對產(chǎn)率的影響或相同溫度或壓強下改變投料比時平衡移動的方向進行判斷，確定反應(yīng)的吸放熱或系數(shù)和的大小。當(dāng)投料比一定時，溫度越高，CO2的轉(zhuǎn)化率越低，所以升溫，平衡左移，正反應(yīng)為放熱反應(yīng)。若溫度不變，提高投料比[n(H2)/n(CO2)]，則提高了二氧化碳的轉(zhuǎn)化率。關(guān)注點4考慮副反應(yīng)的干擾或影響試題往往會有一定的信息提示，尤其溫度的改變影響較大。(二)熟練運用兩步解題流程第一步：通過讀圖識圖獲取有用信息在依據(jù)化學(xué)反應(yīng)原理中反應(yīng)速率和平衡移動知識解讀圖像的基礎(chǔ)上，還需要進行如下思考：明標在明確橫、縱坐標含義的基礎(chǔ)上，用變量的觀點分析坐標，找出橫、縱坐標的關(guān)系，再聯(lián)想相應(yīng)的已學(xué)化學(xué)知識找點在找出曲線中的起點、拐點、終點、交叉點、平衡點等的基礎(chǔ)上，分析這些點的意義及影響這些點的主要因素有哪些析線正確分析曲線的變化趨勢(上升、下降、平緩、轉(zhuǎn)折等)，同時對走勢有轉(zhuǎn)折變化的曲線要分段分析，研究各段曲線變化趨勢及其含義第二步：對獲取的圖像信息進行加工處理(對圖像信息加工處理的角度如圖所示)(2)對于反應(yīng)Ⅰ，總壓恒定為100kPa，在密閉容器中通入C3H8和N2的混合氣體(N2不參與反應(yīng))，從平衡移動的角度判斷，達到平衡后“通入N2”的作用是________________________________。在溫度為T1時，C3H8的平衡轉(zhuǎn)化率與通入氣體中C3H8的物質(zhì)的量分數(shù)的關(guān)系如圖a所示，計算T1時反應(yīng)Ⅰ的平衡常數(shù)Kp＝________kPa(以分壓表示，分壓＝總壓×物質(zhì)的量分數(shù)，保留一位小數(shù))。(3)在溫度為T2時，通入氣體分壓比為p(C3H8)∶p(O2)∶p(N2)＝10∶5∶85的混合氣體，各組分氣體的分壓隨時間的變化關(guān)系如圖b所示。0～1.2s生成C3H6的平均速率為______kPa·s－1；在反應(yīng)一段時間后，C3H8和O2的消耗速率比小于2∶1的原因為_______________________。[解題流程]第一步：通過讀圖識圖獲取有用信息(1)圖a中橫坐標為通入氣體中C3H8的物質(zhì)的量分數(shù)的變化(外界條件變化)，縱坐標為C3H8的平衡轉(zhuǎn)化率(反應(yīng)體系變化)，其C3H8的平衡轉(zhuǎn)化率隨通入氣體中C3H8的物質(zhì)的量分數(shù)增大而降低，圖中所給的關(guān)鍵點為(0.4,50)