化学反应速率与化学平衡图像解题研究

黄春德 辛静玲

(1.广东省惠州市华罗庚中学 516000;2.广东省惠州市实验中学 516000)

黄春德 (1988.7-)，广东省惠州人，本科，中学二级教师，从事中学化学教学研究.

一、构建常规思维模型

1.速率—时间图(v-t)

例1观察图组1与图组2，分别找出两组图像的相同点，说说你能得到的规律？

解析图1，t1时刻的图型变化为一个单断点另一个为渐变点；改变的条件是单一改变反应物或生成物的浓度.图1甲增大反应物的浓度，图1乙减小反应物浓度，图1丙增大生成物浓度.

图2甲改变的条件可能是：升高温度或者增加压强.当ΔH>0,则升高温度满足该图情况；或者当a+b>c+d，增大压强满足该图情况.

图2乙改变的条件可能是：降低温度或者减小压强.当ΔH<0，则降低温度满足该图情况；或者当a+b>c+d，降低压强满足该图情况.

图3丙改变的条件可能是：增大压强或者催化剂.催化剂满足此图所有情况；或者当a+b=c+d，增大压强满足该图情况.

图3

解析图中v′(正)增大，v′(逆)减小，可能是一定程度增大反应物A的同时又减小生成物C和D的浓度；也可能是恒压体系中充入反应物A气体.

注意：此图对于反应物气体有两种的，必须同等倍数通入气体反应物的量，否则平衡时候的新速率会不等于原平衡的速率.

2.含量/转化率—时间图

常见图像形式有如图4所示几种，其中C%指生成物的百分含量.

图4

此类题型的解题关键是：先拐先平速率快.就是折线图中先出现拐点的先平衡，说明其反应速率快，并由此判断温度较高或者压强较大.

图4①a比b先平衡，说明v(a)>v(b)；而又因为平衡时C%不变，说明平衡不移动，那么改变的条件可能是a加入了正催化剂或者反应前后气体分子数不变的反应增大压强的情况.

图4②T2比T1先拐，则T2>T1.升高温度，C%增大，说明平衡往正反应方向移动，说明ΔH>0.

图4③p1比p2先拐，则p1>p2.增大压强，C%增大，说明平衡往正反应方向移动，因此正反应方向为气体体积减小的方向.

评议图1和图2有个共同特点，横坐标都是时间，考察的是与化学反应速率有关的相关知识.都是根据化学反应速率随着时间的变化情况来判断反应平衡移动方向，进而判断反应的热效应或者反应前后气体分子数的变化情况.

3.恒压线或恒温线图(如图5所示)，其中A%可能是反应物或生成物平衡时的百分含量.

图5

此类图形有多个变量，在分析图形应该要控制变量，可以采用“定一议二法”.

如图6所示，分析温度对A的转化率的影响，可以任选某一压强线.观察发现：随着温度的升高，A的转化率增加，说明反应往正反应方向进行，由此得出正反应为吸热反应.

图6

当考虑压强对反应的影响时，温度必须固定，因此要做一条辅助线，如图6所示，可以发现，随着压强的增大，A的转化率升高，由此说明该反应正反应方向为气体体积减小的反应.

二、应用常规模型，突破信息型模型

在高考考题中，经常换个新的情境，换个角度设问，考察的知识与关键能力并没有改变，以达到“以生考熟”的目的.这就好比老师教学生上课包饺子，而考试的内容是做叉烧包，并在试题中提供信息，要注意蒸包子的温度，时间等问题.

1.考题中常见的“山形图与凹形图”(如图7所示).

图7

分析此类图型一般考察的是同一时间不同温度测定某一物质的百分含量.M点以前是未平衡的点，M点及以后是平衡的点.在图7中，起点到M点以前，随着温度的升高，A%在逐渐减少，说明随着温度的升高，v正>v逆.随着温度的升高，速率加快，A%逐渐减小；而M点以后A%逐渐上升，说明该反应为放热反应，升高温度，平衡往逆反应方向进行，故A%反而增加了.

图8

由图8可知，催化剂活性最大时对应的温度约为____，COS的转化率在后期下降的原因是____.

分析此图跟上述考法1属于同图异考，解题的关键是要审题，题目中有两个关键词：催化剂和未达到平衡.由此可知转化率的高低主要与速率有关，而速率的高低快慢又与催化剂的活性有关.因此，前半段随着温度升高，速率增大，主要是催化剂的活性增强；后半段出现随着温度升高，催化剂活性降低，故速率降低，COS的转化率也下降.

参考答案:150℃；温度过高，使催化剂活性减弱或丧失，导致转化率减小.

考法3已知：C4H10(g)= C4H8(g)+H2(g) ΔH2=+123 kJ·mol-1

图9

图9为反应产率和反应温度的关系曲线，副产物主要是高温丁烷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____.

分析此题与前面图型有相同点，一样出现了“山形图”.此题的关键信息是：高温丁烷裂解生成副产物，无论是文字还是图型中均有所涉及.因此，590℃以前，随着温度的升高，速率加快，单位时间内产生的丁烯量增多；同时，该反应又是吸热反应，升高温度，平衡往正反应方向进行，因此丁烯产率增大.590℃，主要是发生了副反应丁烷裂解生成的短碳链烃类化合物，故丁烯的产率反而降低.

参考答案: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； 丁烷高温裂解生成短链烃类

2.转化率/百分含量—投料比图

图10

考法2(2019·全国卷 Ⅲ)近年来，随着聚酯工业的快速发展，氯气的需求量和氯化氢的产出量也随之迅速增长.因此，将氯化氢转化为氯气的技术成为科学研究的热点.Deacon发明的直接氧化法为：

图11为刚性容器中，进料浓度比c(HCl)∶c(O2)分别等于1∶1、4∶1、7∶1时HCl平衡转化率随温度变化的关系.

图11

按化学计量比进料可以保持反应物高转化率，同时降低产物分离的能耗.进料浓度比c(HCl)∶c(O2)过低、过高的不利影响分别是____.

分析此题的审题关键是，按化学计量比进料可以保持反应物高转化率，同时降低产物分离的能耗.又因为在温度一定的条件下，c(HCl)和c(O2)的进料比越大，HCl的平衡转化率越低，所以题图中自上而下三条曲线是c(HCl)∶c(O2) (进料浓度比)为1∶1、4∶1、7∶1时的变化曲线.所以有c(HCl)∶c(CO2)过高时，HCl转化率较低；当c(HCl)∶c(O2)过低时，过量的O2和Cl2分离时能耗较高.

综上所述，化学反应速率与化学平衡的图像，审题是最重要的因素之一，审题不仅要看清楚题目文字信息，也要看清楚图像.学会常规解题思路，并结合信息解决实际问题.高考考察的是学生应用旧知识解决新问题的能力.重在能力的应用与培养.