郭晨輝

摘?要：化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡圖像是兩個(gè)緊密相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)，這類問題在高考出題中靈活度高、分值大，要求學(xué)生具備很高的分析問題、挖掘信息的能力.本文對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡圖像綜合問題解題策略進(jìn)行研究，并例舉了高考真題詳解指導(dǎo)，以期望幫助學(xué)生更好地掌握化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的概念，提高解題效率和準(zhǔn)確性.

關(guān)鍵詞：高中化學(xué)；化學(xué)平衡；圖像

中圖分類號(hào)：G632???文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A???文章編號(hào)：1008-0333（2024）15-0121-03

化學(xué)平衡圖像類試題經(jīng)常涉及的圖像類型有含量—時(shí)間—溫度（壓強(qiáng)）、恒溫、恒壓曲線等.圖像中蘊(yùn)含著豐富的信息，具有簡(jiǎn)明、直觀、形象的特點(diǎn)，命題形式靈活，解題的關(guān)鍵是根據(jù)反應(yīng)特點(diǎn)，明確反應(yīng)條件，認(rèn)真分析圖像，充分挖掘蘊(yùn)含的信息，緊扣化學(xué)原理，找準(zhǔn)切入點(diǎn)解決問題[1-2].具體思考過程如圖1所示：

1 常規(guī)圖像

化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡圖像綜合問題的常見圖像形式通常有6種，如圖2所示.

其核心解題技巧為：①先拐先平：在轉(zhuǎn)化率（或百分含量）—時(shí)間曲線中，先出現(xiàn)拐點(diǎn)的先達(dá)到平衡，說明該曲線反應(yīng)速率大，表示溫度較高、有催化劑、壓強(qiáng)較大等；②定一議二：當(dāng)圖像中有三個(gè)量時(shí)（如恒溫線或恒壓線），先確定一個(gè)量不變，再討論另外兩個(gè)量的關(guān)系[3-4].下面以一道例題為例進(jìn)行講解.

例1?（湖南卷）實(shí)驗(yàn)臺(tái)上有甲、乙兩個(gè)恒容容器，向兩容器中分別充入X和Y，二者的反應(yīng)如下：

2X（g）+Y（g）Z（g）

圖3為兩反應(yīng)體系的壓強(qiáng)隨時(shí)間變化的曲線.已知甲、乙兩個(gè)容器的體積均為1 L，X和Y的量分別為2 mol和1 mol，甲容器中的反應(yīng)為絕熱過程，乙容器中的反應(yīng)為恒溫過程，求：

（1）證明ΔH<0；

（2）氣體的總物質(zhì)的量na和nc的關(guān)系；

（3）證明a點(diǎn)平衡常數(shù)K<12；

（4）反應(yīng)速率va正和vb的關(guān)系.

解?本題考查化學(xué)平衡、化學(xué)反應(yīng)速率等.

（1）題給反應(yīng)正向是氣體分子數(shù)減小的反應(yīng)，在恒容容器中絕熱過程進(jìn)行反應(yīng)時(shí)，起始階段體系壓強(qiáng)增大，是由體系內(nèi)溫度升高引起的，因此正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，即ΔH<0；

（1）略.

（2）由于反應(yīng)放熱，而甲容器中的反應(yīng)為絕熱過程，則溫度a>c，a、c兩點(diǎn)的壓強(qiáng)相同，則氣體的總物質(zhì)的量na

（3）因?yàn)橐胰萜髦械姆磻?yīng)為恒溫過程，c點(diǎn)時(shí)體系壓強(qiáng)為p，而起始?jí)簭?qiáng)為2p，則c點(diǎn)氣體的總物質(zhì)的量nc=12×（2 mol+1 mol）=1.2 mol，設(shè)從開始到c點(diǎn)，Y反應(yīng)了x mol，結(jié)合X和Y的化學(xué)方程式有

（2-2x）mol+（1-x）mol+x mol=1.5 mol

解得x=0.75，則c點(diǎn)n（X）=0.5 mol，n（Y）=0.25 mol，n（Z）=0.75 mol，c點(diǎn)濃度商Qc=0.75/1（0.5/1）2×0.25/1=12，而a點(diǎn)平衡實(shí)際上是絕熱條件下達(dá)到的平衡，a點(diǎn)溫度大于c點(diǎn)，平衡逆向移動(dòng)，故a點(diǎn)平衡常數(shù)K<12；

（4）a、b時(shí)反應(yīng)均已達(dá)平衡，溫度：a>b，且對(duì)該反應(yīng)升溫平衡逆向移動(dòng)，則a點(diǎn)反應(yīng)物濃度大于b點(diǎn)，所以反應(yīng)速率va正>vb正.

2 新型圖像

化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡問題的知識(shí)點(diǎn)博雜，出題角度很多，在高考中常會(huì)出現(xiàn)一些異于常規(guī)圖像的新型圖像.這類新型圖像最明顯的特點(diǎn)是并未對(duì)圖中的曲線直接定義，而是要求解題者能夠根據(jù)題目給出的反應(yīng)方程進(jìn)行推理，挖掘圖像包含的信息，分析出圖中曲線所代表的變量，然后以此為切入點(diǎn)解答問題[5].以下題為例.

例2?（江蘇卷）催化重整乙醇和水是制備氫氣的常用方法之一，其主要反應(yīng)過程為：

C2H5OH（g）+3H2O（g）2CO2（g）+6H2（g）

ΔH=+173.3 kJ/mol①

CO2（g）+H2（g）CO（g）+H2O（g）

ΔH=+41.2 kJ/mol.②

某科學(xué)興趣小組的同學(xué)在1.0×105 Pa、n始（C2H5OH）∶n始（H2O）=1∶3條件下利用乙醇和水制備氫氣，反應(yīng)平衡時(shí)二氧化碳和一氧化碳的選擇性以及氫氣的產(chǎn)率隨溫度變化的情況如圖4所示（只考慮上述兩個(gè)主要反應(yīng)），CO=n生成（CO）n生成（CO2）+n生成（CO）×100%.請(qǐng)問下列哪項(xiàng)說法正確的.

A.圖中曲線①表示平衡時(shí)H2產(chǎn)率隨溫度的變化

B.升高溫度，平衡時(shí)CO的選擇性增大

C.一定溫度下，增大n（C2H5OH）/n（H2O）可提高乙醇平衡轉(zhuǎn)化率

D.一定溫度下，加入CaO（s）或選用高效催化劑，均能提高平衡時(shí)H2產(chǎn)率

解?由分析可知圖4中曲線②代表H2的產(chǎn)率，故A錯(cuò)誤；由分析可知升高溫度，平衡時(shí)CO的選擇性減小，故B錯(cuò)誤；一定溫度下增大n（C2H5OH）/n（H2O），可以認(rèn)為開始時(shí)水蒸氣物質(zhì)的量不變，增大乙醇物質(zhì)的量，乙醇的平衡轉(zhuǎn)化率降低，故C錯(cuò)誤；加入CaO（s）與水反應(yīng)放熱，且CaO吸收CO2，促進(jìn)反應(yīng)①向正反應(yīng)方向進(jìn)行，反應(yīng)②向逆反應(yīng)方向進(jìn)行，對(duì)反應(yīng)①影響較大，可以增大H2產(chǎn)率，或者選用對(duì)反應(yīng)①影響較大的高效催化劑，增加反應(yīng)①的反應(yīng)，減少反應(yīng)②的發(fā)生，也可以增大H2產(chǎn)率，故D正確.因此答案為D.

3 鞏固訓(xùn)練

例3?（江蘇卷）工業(yè)上常通過催化氧化反應(yīng)將尾氣中的NH3與O2反應(yīng)轉(zhuǎn)化為N2進(jìn)行去除，以達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn).現(xiàn)向裝有催化劑的容器中通入未知比例的NH3、O2和N2進(jìn)行反應(yīng)，NH3的轉(zhuǎn)化率、N2擇性=2n生成（N2）n總轉(zhuǎn)化（NH3）×100%與溫度的關(guān)系如圖5所示.已知NH3與O2反應(yīng)分別生成N2、NO、NO2的反應(yīng)均為放熱反應(yīng).請(qǐng)問下列哪項(xiàng)說法正確的.

A.保持其他條件不變，升高溫度，NH3的平衡轉(zhuǎn)化率增大

B.其他條件不變，在175～300 ℃范圍，隨溫度的升高，出口處N2和氮氧化物的量均不斷增大

C.催化氧化除去尾氣中的NH3應(yīng)選擇反應(yīng)溫度高于250 ℃

D.高效除去尾氣中的NH3，需研發(fā)低溫下NH3轉(zhuǎn)化率高和N2選擇性高的催化劑

解?圖5所示中NH3的轉(zhuǎn)化率并不是平衡轉(zhuǎn)化率，由“NH3與O2反應(yīng)分別生成N2、NO、NO2的反應(yīng)均為放熱反應(yīng)”知，升高溫度，平衡逆向移動(dòng)，NH3的平衡轉(zhuǎn)化率減小，A項(xiàng)錯(cuò)誤；隨著溫度的升高，N2的選擇性減小，說明生成N2的量不斷減小，B項(xiàng)錯(cuò)誤；溫度高于250 ℃時(shí)，N2的選擇性減小較快，NH3更易轉(zhuǎn)化成NO或NO2，仍會(huì)污染環(huán)境，C項(xiàng)錯(cuò)誤；N2對(duì)環(huán)境無污染，由圖5知，低溫下N2的選擇性高，但低溫下反應(yīng)速率慢，所以單位時(shí)間內(nèi)NH3的轉(zhuǎn)化率不高，故需要研發(fā)低溫下NH3轉(zhuǎn)化率高且N2選擇性高的催化劑，D項(xiàng)正確.

4 結(jié)束語(yǔ)

化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡圖像是化學(xué)學(xué)科中重要的內(nèi)容之一，本研究旨在探討化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡圖像綜合問題的解題策略，幫助學(xué)生更好地理解和應(yīng)用這些知識(shí)點(diǎn).本文通過對(duì)不同類型的化學(xué)平衡圖像進(jìn)行分析總結(jié)，并以高考真題為例詳細(xì)講解，向?qū)W生介紹這類問題的解題技巧和策略，以幫助學(xué)生更好地理解問題的本質(zhì)，準(zhǔn)確把握解題思路，助利其在化學(xué)學(xué)科中取得更好的成績(jī).

參考文獻(xiàn)：

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［責(zé)任編輯：季春陽(yáng)］