大单元四　第十一章　热点强化9　平衡体系中图像变化趋势分析与绘制

热点强化9平衡体系中图像变化趋势分析与绘制一、化学平衡体系中曲线变化趋势归因分析1.平衡移动类文字说理题答题模板叙特点(反应特点或容器特点)→变条件→定方向→得结论(或结果)(1)温度：该反应正向为×××(放热或吸热)反应，其他条件不变，升高(或降低)温度，平衡×××(正向或逆向)移动，因此×××(得结论)。(2)压强：反应的正反应是气体分子数减小(或增大)的反应，当温度一定时，增大压强，平衡正向(或逆向)移动，因此×××(得结论)。2.化学反应速率与平衡图像分析思路例1[2025·浙江6月选考，18(3)]某研究小组提出，商用ClO2(常含杂质Cl2)在水中易发生如下反应，影响自来水消毒效果。Ⅳ2ClO2(aq)+H2O(l)=ClO3-(aq)+ClO2-(aqⅤ2ClO2(aq)+ClO-(aq)+H2O(l)=2ClO3-(aq)+2H+(aq)+Cl-ClO2中Cl2含量对ClO2反应初始速率v初始(ClO2)的影响如图所示。实验条件：T2①Cl2的存在主要加快了反应(填“Ⅳ”或“Ⅴ”)。②指出改变v初始(ClO2)的影响因素，并解释原因：。答案①Ⅴ②影响因素是溶液pH以及Cl2含量等，原因是Cl2浓度增大、pH增大，均使溶液中ClO-浓度增大，反应Ⅴ的反应物浓度增大，反应速率增大解析①反应Ⅳ是ClO2自身的氧化还原反应，而反应Ⅴ是ClO-作氧化剂，将ClO2氧化为ClO3-，故当Cl2存在时，存在平衡Cl2(aq)+H2O(l)⥬H+(aq)+Cl-(aq)+HClO(aq)、HClO(aq)⥬H+(aq)+ClO-(aq)，主要影响的是反应Ⅴ，即加快了反应例2[2025·浙江1月选考，18(5)]二甲胺[(CH3)2NH]、N，N⁃二甲基甲酰胺[HCON(CH3)2]均是用途广泛的化工原料。请回答：有研究采用CO2、H2和(CH3)2NH催化反应制备HCON(CH3)2。在恒温密闭容器中，投料比n(CO2)∶n(H2)∶n[(CH3)2NH]=20∶15∶1，催化剂M足量。反应方程式如下：Ⅳ.CO2(g)+H2(g)HCOOH(g)Ⅴ.HCOOH(g)+(CH3)2NH(g)⥬HCON(CH3)2(g)+H2O(g)HCOOH、(CH3)2NH、HCON(CH3)2三种物质的物质的量百分比随反应时间变化如图所示。{例：HCOOH的物质的量百分比=n(HCOOH)n(HCOOH)+①请解释HCOOH的物质的量百分比随反应时间变化的原因(不考虑催化剂M活性降低或失活)。②若用SiH4代替H2作为氢源与CO2反应生成HCOOH，可以降低反应所需温度。请从化学键角度解释原因。答案①t时刻之前反应Ⅳ的速率比反应Ⅴ的快，t时刻之后由于浓度的影响导致反应Ⅳ的速率比反应Ⅴ的慢②用H2作氢源需要断裂H—H，用SiH4作氢源需要断裂Si—H，由于Si原子半径大于H，Si—H的键能比H—H小，所以用SiH4代替H2作为氢源与CO2反应生成HCOOH，可以降低反应所需温度解析①由题干图示信息可知，t时刻之前HCOOH的物质的量百分比增大速率比HCON(CH3)2的增大速率大，而t时刻之后HCOOH逐渐减小至不变，HCON(CH3)2继续增大，故t时刻之前反应Ⅳ的速率比反应Ⅴ的快，t时刻之后由于浓度的影响导致反应Ⅳ的速率比反应Ⅴ的慢。1.(2025·绍兴高三第一次模拟)CO2的综合利用对于资源综合利用和减碳有重要意义。CO2与H2在固体催化剂表面分两步被转化为甲醇：Ⅰ：CO2(g)+H2(g)⥬CO(g)+H2O(g)ΔH1=+41kJ·mol-1Ⅱ：CO(g)+2H2(g)⥬CH3OH(g)ΔH2=-90kJ·mol-1刚性容器中，CO2和H2按物质的量之比为5∶16进行投料，只发生反应Ⅰ和Ⅱ，平衡时CO在含碳物质中的物质的量分数及CO2转化率随温度的变化如图所示。b曲线在250℃之前随温度升高而降低的原因是。答案ΔH1>0，ΔH2<0，升温，反应Ⅱ平衡左移，c(CO)变大，成为影响反应Ⅰ平衡移动的主要因素，导致反应Ⅰ平衡左移，CO2的转化率减小2.(2025·浙江Z20名校联盟高三第二次联考)科学家利用Ni(Ⅱ)、Al(Ⅲ)层状复合催化剂进行了乙醇、水蒸气重整制氢的研究。其主要反应为反应ⅠC2H5OH(g)+3H2O(g)⥬2CO2(g)+6H2(g)ΔH1=+173.3kJ·mol-1反应ⅡC2H5OH(g)+H2O(g)⥬2CO(g)+4H2(g)ΔH2=+255.7kJ·mol-1研究发现，在压强为p0时，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。注：CO的选择性=n生成(CO)请分析说明曲线②随温度变化的原因：。答案反应Ⅰ、Ⅱ正反应方向均为吸热反应，升高温度平衡均向正反应方向移动，H2产率上升，曲线②表示H2产率，但继续升温，温度对反应Ⅱ的影响大于对反应Ⅰ的影响，所以H2产率又略有减小3.[2024·山东，20(2)]水煤气是H2的主要来源，研究CaO对C-H2O体系制H2的影响，涉及主要反应如下：C(s)+H2O(g)⥬CO(g)+H2(g)(Ⅰ)ΔH1>0CO(g)+H2O(g)⥬CO2(g)+H2(g)(Ⅱ)ΔH2<0CaO(s)+CO2(g)⥬CaCO3(s)(Ⅲ)ΔH3<0压力p下，C⁃H2O⁃CaO体系达平衡后，图示温度范围内C(s)已完全反应，CaCO3(s)在T1温度时完全分解。气相中CO、CO2和H2摩尔分数随温度的变化关系如图所示，则a线对应物种为(填化学式)。当温度高于T1时，随温度升高c线对应物种摩尔分数逐渐降低的原因是。答案H2当温度高于T1，CaCO3(s)已完全分解，只发生反应Ⅱ，温度升高，反应Ⅱ逆向进行，所以CO2的摩尔分数减小解析图示温度范围内C(s)已完全反应，则反应Ⅰ已经进行完全，反应Ⅱ和Ⅲ均为放热反应，从开始到T1，温度不断升高，反应Ⅱ和Ⅲ逆向进行，依据反应Ⅱ，H2摩尔分数减小，CO摩尔分数增大，所以a线代表H2的摩尔分数的变化，b线代表CO的摩尔分数的变化。T1时，CaCO3(s)已完全分解，当温度高于T1，相当于只发生反应Ⅱ，CO2的摩尔分数减小，则c线代表CO2的摩尔分数随温度的变化。二、图像的补充及绘制图像绘制的注意事项：(1)关键点(起点、拐点、终点)的数据要清楚，并注明对应的时间、浓度或物质的量的数值，变化趋势(递增、递减、是否成正比)要明了。(2)绘图前要清楚是在恒温恒压还是恒温恒容下改变条件。例3[2025·浙江6月选考，18(2)]氯气、二氧化氯常用于漂白、杀菌，有重要的应用价值。氯气常用于自来水消毒。稀氯水中存在如下反应(不考虑其他反应)：ⅠCl2(aq)+H2O(l)⥬H+(aq)+Cl-(aq)+HClO(aq)Ⅱ2HClO(aq)⥬Cl2O(aq)+H2O(l)K=10-2.0ⅢHClO(aq)⥬H+(aq)+ClO-(aq)T1℃时，在不同pH下，约2mg·L-1氯水中部分含氯微粒的平衡浓度对数值(lgc)如图所示(溶液体积保持不变)。①Cl2O分子的空间构型是。②在pH=4~9之间，ClO-浓度增加，其最大来源是(填含氯微粒符号)。③该氯水中氯元素质量守恒表达式：c(Cl-)=c(HClO)+。④在图中画出pH=4~9之间，lgc(Cl2O)随pH的变化曲线。答案①V形②HClO③2c(Cl2O)+c(ClO-)④解析①Cl2O分子的中心原子O的价层电子对数为2+6-2×12=4，有2个孤电子对，空间构型是V形。②在pH=4~9之间，ClO-浓度增加，ClO-主要来自HClO的电离：HClO(aq)⥬H+(aq)+ClO-(aq)。③Cl2溶于水生成等量的Cl-和HClO，HClO进一步转化为Cl2O和ClO-，则该氯水中氯元素质量守恒表达式：c(Cl-)=c(HClO)+2c(Cl2O)+c(ClO-)。④由2HClO(aq)⥬Cl2O(aq)+H2O(l)K=10-2.0可知，随着pH升高，c(HClO)减小，c(Cl2O)亦随之减小，且K=c(Cl2O)c2(HClO)=10-2.0，代入pH=4时，c(HClO)=10-4.5mol·L-1，得到lgc(Cl2O)=-11，同理，pH=9时，c(HClO)=10-6.0mol·L-1，lgc(Cl2O)=-14，故lg例4[2022·浙江6月选考，29(2)③]热解H2S制H2。根据文献，将H2S和CH4的混合气体导入石英管反应器热解(一边进料，另一边出料)，发生如下反应：Ⅰ.2H2S(g)⥬2H2(g)+S2(g)ΔH1=+170kJ·mol-1Ⅱ.CH4(g)+S2(g)⥬CS2(g)+2H2(g)ΔH2=+64kJ·mol-1总反应：Ⅲ.2H2S(g)+CH4(g)⥬CS2(g)+4H2(g)若将反应Ⅲ看成由反应Ⅰ和反应Ⅱ两步进行，且反应Ⅰ更易发生，画出由反应原料经两步生成产物的反应过程能量示意图。答案例5[2023·浙江6月选考，19(3)(4)]水煤气变换反应是工业上的重要反应，可用于制氢。水煤气变换反应：CO(g)+H2O(g)⥬CO2(g)+H2(g)ΔH=-41.2kJ·mol-1该反应分两步完成：3Fe2O3(s)+CO(g)⥬2Fe3O4(s)+CO2(g)ΔH1=-47.2kJ·mol-12Fe3O4(s)+H2O(g)⥬3Fe2O3(s)+H2(g)ΔH2(3)下列说法正确的是。A.通入反应器的原料气中应避免混入O2B.恒定水碳比[n(H2O)/n(CO)]，增加体系总压可提高H2的平衡产率C.通入过量的水蒸气可防止Fe3O4被进一步还原为FeD.通过充入惰性气体增加体系总压，可提高反应速率(4)水煤气变换反应是放热的可逆反应，需在多个催化剂反应层间进行降温操作以“去除”反应过程中的余热(如图1所示)，保证反应在最适宜温度附近进行。①在催化剂活性温度范围内，图2中b~c段对应降温操作的过程，实现该过程的一种操作方法是。A.按原水碳比通入冷的原料气B.喷入冷水(蒸气)C.通过热交换器换热②若采用喷入冷水(蒸气)的方式降温，在图3中作出CO平衡转化率随温度变化的曲线。答案(3)AC(4)①A②解析(3)一氧化碳和氢气都可以和氧气反应，则通入反应器的原料气中应避免混入O2，A正确；该反应前后气体计量数相同，则增加体系总压平衡不移动，不能提高平衡产率，B错误；通入过量的水蒸气可以促进四氧化三铁被氧化为氧化铁，水蒸气不能将铁的氧化物还原为单质铁，但过量的水蒸气可以降低体系中CO和H2的浓度，从而防止铁的氧化物被还原为单质铁，C正确；若保持容器的体积不变，通过充入惰性气体增加体系总压，反应物浓度不变，反应速率不变，D错误。(4)①由图知，b→c降温操作时CO的转化率降低且反应未达到平衡。按原水碳比通入冷的原料气，可以降低温度，同时化学反应速率稍减小，反应物的量增加，导致CO的转化率稍减小，与图中变化相符，A正确；喷入冷水(蒸气)，可以降低温度，但是同时水蒸气的浓度增大，会导致CO的转化率增大，与图中变化不符，B错误。②增大水蒸气的浓度，平衡正向移动，则一氧化碳的平衡转化率增大，会高于原平衡曲线，故图像为。4.(2025·嘉兴高三模拟)化石燃料的燃烧、汽车尾气的排放和硝酸工业尾气中普遍含有的氮氧化物NOx是污染大气的主要成分之一，需要加以治理。当氮氧化物中NO与NO2的比例不同时，发生三种类型的SCR反应(选择性催化还原反应)：a.标准SCR：4NO(g)+4NH3(g)+O2(g)⥬4N2(g)+6H2O(g)ΔH1b.慢速SCR：8NH3(g)+6NO2(g)⥬7N2(g)+12H2O(g)ΔH2=-2739.6kJ·mol-1c.快速SCR：2NO(g)+4NH3(g)+2NO2(g)⥬4N2(g)+6H2O(g)ΔH3=-1518.2kJ·mol-1一定条件下仅发生慢速SCR，在压强p1条件下，NO2的平衡转化率随温度的变化曲线如图所示，若减小压强至p2，在图中画出NO2的平衡转化率随温度的变化曲线示意图。答案解析慢速SCR是气体体积增大的放热反应，升高温度，平衡逆向移动，NO2的平衡转化率减小，减小压强，平衡正向移动，NO2的平衡转化率增大，p2条件下NO2的平衡转化率整体大于p1，NO2的平衡转化率随温度的变化曲线示意图见答案。5.(2025·浙江衢州、丽水、湖州三地市高三模拟)CO2通过电化学、热化学方法转化为CH3OH等高附加值化学品，符合绿色化学理念。热化学方法转化的相关热化学方程式如下：Ⅰ：CO2(g)+H2(g)⥬CO(g)+H2O(g)ΔH1=+41.17kJ·mol-1K1=1.0×10-5Ⅱ：CO(g)+2H2(g)⥬CH3OH(g)ΔH2=-90.47kJ·mol-1K2=2.5×104Ⅲ：CO2(g)+3H2(g)⥬CH3OH(g)+H2O(g)ΔH3K3(1)可以用所含碳元素物质的量占碳元素总物质的量的百分比表示CO、CO2、CH3OH三种物质的平衡组成。总压5MPa、n(H2)∶n(CO2)=4投料，测得CO、CO2、CH3OH三种物质的平衡组成随温度升高的变化曲线如图所示。请解释CO2平衡组成变化的原因：。(2)保持容积不变，按n(H2)∶n(CO2)=4投料，容器中只发生反应Ⅲ，反应tminX(CO2转化为CH3OH的转化率)随温度变化如图所示。请在图中画出25~300℃之间、反应2tminX随温度升高的变化曲线(不考虑催化剂失活)。答案(1)温度升高，反应Ⅰ平衡正向移动的程度大于反应Ⅲ平衡逆向移动的程度(2)解析(2)由图可知，X(CO2转化为CH3OH的转化率)最高时，反应达到平衡，反应未达到平衡时，反应时间越长，X(CO2)越大，且250℃及其以后X(CO2)相等，因此250℃后曲线重合，250℃时，反应tmin达到平衡，相同温度下反应延长至2tmin，则反应达到平衡时的温度会低于250℃，即X(CO2)最大时对应的温度低于250℃，又因ΔH3<0，故CO2的平衡转化率也会更大。6.(2024·浙江名校协作体模拟)低碳烯烃(乙烯、丙烯等)作为化学工业重要基本有机化工原料，在现代石油和化学工业中起着举足轻重的作用。碘甲烷(CH3I)热裂解制低碳烯烃的主要反应有：反应Ⅰ2CH3I(g)⥬C2H4(g)+2HI(g)ΔH1反应Ⅱ3C2H4(g)⥬2C3H6(g)ΔH2反应Ⅲ2C2H4(g)⥬C4H8(g)ΔH3(1)反应Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的ΔH随温度的变化如图甲所示。298K下，ΔH1=kJ·mol-1。(2)针对反应Ⅰ，利于提高碘甲烷的平衡转化率的条件有(填字母，下同)。A.低温B.高温C.低压D.高压E.催化剂(3)利用计算机模拟反应过程。一定压强条件下，测定反应温度对碘甲烷热裂解制低碳烯烃平衡体系中乙烯、丙烯和丁烯组成的影响如图乙所示。结合图甲、图乙，回答下列问题：①下列有关说法正确的是。A.400K时使用活泼性更强的催化剂，可适当提高C2H4、C3H6的物质的量分数B.随温度升高，反应Ⅱ、Ⅲ的化学平衡先正向移动后逆向移动C.当温度范围：T≤715K时，相同条件下的反应Ⅱ的平衡常数小于反应Ⅲ②从图乙中可看出，当体系温度高于600K时，乙烯的物质的量分数随温度升高而显著增加，可能的原因是。(4)维持温度为810K，压强为0.1MPa，起始投料1molCH3I，测得平衡体系中n(C2H4)=n(C3H6)=0.14mol，n(C4H8)=0