2020年高考化学提升突破专题十二 数形结合破解速率、平衡图像(带答案解析)

专题12 数形结合破解速率、平衡图像——建立变化观念与模型认知“速率、平衡图像题”属于化学坐标图形题，目的在于考查学生运用数学工具的能力、对数据和图形分析识别的能力及灵活运用所学化学知识、化学规律解决问题的能力，主要考查学生对题目所给信息进行有效获取、分析与处理数据的能力。

这种素养能力立意的综合试题要求我们：认识化学变化是有条件、有多样性和复杂性的观念，学会分析化学反应速率的主要影响因素，能根据反应速率理论和化学平衡原理，从图像中挖掘出对解题有用的信息，抓住图像中的特殊点可以准确有效地解读图像，找出规律。

我们在学习过程中，需要通过开展概括关联、比较说明、推论预测、设计论证等活动，发展认识化学反应的基本角度，引导学生体会理论模型建构的过程。

促使学生形成从限度、速率、能耗等多角度综合调控化学反应的基本思路，发展学生“绿色化学”的观念和辩证思维的能力。

1．【2019•新课标Ⅱ】环戊二烯（）是重要的有机化工原料，广泛用于农药、橡胶、塑料等生产。

环戊二烯容易发生聚合生成二聚体，该反应为可逆反应。

不同温度下，溶液中环戊二烯浓度与反应时间的关系如图所示，下列说法正确的是__________（填标号）。

A．T1＞T2B．a点的反应速率小于c点的反应速率C．a点的正反应速率大于b点的逆反应速率D．b点时二聚体的浓度为0.45 mol·L−1【答案】CD【解析】A ．温度越高化学反应速率越快，单位时间内反应物浓度减少越多，则T 1<T 2，故A 错误；B ．温度越高化学反应速率越快，因此a 点反应速率大于c 点反应速率，故B 错误；C ．a 点、b 点反应一直在正向进行，故v （正）>v(逆)，a 点反应物浓度大于b 点，故a 点正反应速率大于b 点，故C 正确；D ．b 点时 环戊二烯浓度由1.5mol/L 减小到0.6mol/L ，减少了0.9mol/L ，因此生成二聚体0.45mol/L ，故D 正确。

【素养解读】本题通过不熟悉共轭二烯的二聚反应这一陌生情境，考查温度对可逆反应速率的影响规律、化学平衡的建立、平均反应速率的计算等，这是新课程倡导的基于真实情境、实际问题、学科主干知识指向学科核心素养的典型命题模式，有利于考查学生发展变化观念和模型认知素养的水平。

2．【2019•新课标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。

（1） Deacon 发明的直接氧化法为：4HCl(g)+O 2(g)=2Cl 2(g)+2H 2O(g)。

下图为刚性容器中，进料浓度比c (HCl) ∶c (O 2)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：可知反应平衡常数K （300℃）____________K （400℃）（填“大于”或“小于”）。

设HCl 初始浓度为c 0，根据进料浓度比c (HCl)∶c (O 2)=1∶1的数据计算K （400℃）=____________（列出计算式）。

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 (O 2)过低、过高的不利影响分别是____________。

（2）在一定温度的条件下，进一步提高HCl 的转化率的方法是______________。

（写出2种）【答案】（1）大于 2240(0.42)(0.42)(10.84)(10.21)c ⨯-⨯- O 2和Cl 2分离能耗较高、HCl 转化率较低 （2）增加反应体系压强、及时除去产物【解析】（1）根据反应方程式知，HCl 平衡转化率越大，平衡常数K 越大，结合图像知升高温度平衡转化率降低，说明升高温度平衡向逆反应方向进行，则K(300℃)>K(400℃)；由图像知，400℃时，HCl 平衡转化率为84%，用三段式法对数据进行处理得：2224HCl(g)O (g)2Cl (g)2H O(g)+=+起始（浓度） c 0 c 0 0 0变化（浓度） 0.84c 0 0.21c 0 0.42c 0 0.42c 0平衡（浓度）(1-0.84)c0(1-0.21)c0 0.42c0 0.42c0则K=224(0.42)(0.42)(10.84)(10.21)c⨯-⨯-；根据题干信息知，进料浓度比过低，氧气大量剩余，导致分离产物氯气和氧气的能耗较高；进料浓度比过高，HCl不能充分反应，导致HCl转化率较低；（3）若想提高HCl的转化率，应该促使平衡正向移动，该反应为气体体积减小的反应，根据勒夏特列原理，可以增大压强，使平衡正向移动；也可以及时除去产物，减小产物浓度，使平衡正向移动；【素养解读】本题以生产中真实情境为载体，考查化学平衡图像的识别与分析、进料比（或反应物浓度）和温度对反应物平衡转化率的影响、三行数据解题模型的运用、解释原因、提高反应物转化率的方法或措施等实际问题，弄清变化趋势是分析解决问题的关键，找准哪条曲线代表什么进料比且找准定量点（400℃反应物的平衡转化率）是进行化学平衡计算的根据，解释不利影响和提高转化率的方法主要根据信息的接受、吸收和整合能力以及化学平衡原理。

解答速率、平衡图像题的策略速率、平衡图像问题是化学反应原理的重要组成部分之一，近年高考均涉及到此类问题，分析和解决这类问题需要我们注重对速率与平衡知识的深度理解及应用，才能更好地把外界条件的变化而引起的物理量的变化清晰地表征在化学图像上。

一、应重视对理论的深度理解分析速率、平衡图像题的理论依据是速率理论和平衡移动原理，学习时应突破理解上的重难点。

外界因素如浓度、温度、压强、催化剂、反应物接触面积、固体颗粒大小等改变，会引起化学反应速率的变化。

但各个外界因素对可逆反应正、逆方向速率的影响程度不尽相同。

例如升高温度，正逆反应速率都升高，只是升高的程度大小不同；增大浓度，反应速率增大（但当往体系中加入某一物质时，若该物质为固体和纯液体时，不影响速率）；增大压强加快反应速率，必须引起参与反应的物质的浓度变化才可能引起速率的变化；催化剂同等程度的改变正逆反应速率但不影响平衡，催化剂的活性受温度等外界条件的影响等。

一些条件改变引起正、逆速率改变程度不同，原平衡被破坏，该影响速率的因素也是影响平衡的因素。

一些条件改变虽然引起正、逆速率改变，但改变的程度相同，该因素是影响速率的因素却不是影响平衡的因素。

例如，催化剂同等程度影响正逆反应速率，不影响平衡。

对方程式两边气体计量数相同的反应，改变压强，速率改变，但正、逆方向速率同时、同等程度改变，平衡不受影响。

在速率平衡图像中，如果涉及多个因素，这类问题较复杂，学生不仅需要具备有关速率和平衡理论的基础知识，还需要全面考察、分析问题，透过纷繁的现象，发现问题的本质，才能获得问题的正确答案。

二、学会剖析单因素作用于速率或平衡外界因素改变，速率和平衡都可能发生改变，但不能将速率和平衡混为一谈，要辩证分析速率理论和平衡理论的本质区别，从实际出发将速率或平衡问题独立分析判断。

例如，反应的转化率或者产率随温度发生变化的图像，到底是用速率理论还是平衡理论去分析，需要我们思考、辨别、领悟，形成基本的思维模式：速率理论适用于反应的整个过程，而平衡理论只适用于反应达到平衡以后。

只有经过独立思考、反思，不难获得反应的转化率或者产率随温度发生变化的图像的分析思路：达到平衡以前，应用速率理论，温度越高，速率越快，转化率或产率越高；达到平衡以后，应用平衡理论，温度升高，平衡向吸热方向移动，若正反应吸热，转化率或产率增大；若正反应放热，转化率或产率下降。

学会分析题意，弄清楚起点和终点是定性点，还是定量点，弄清变化趋势。

弄清反应的类别是指单一反应、平行反应或连续反应；弄清外界条件的改变是对速率和平衡的单一影响还是同时影响，所作曲线是平衡曲线还是非平衡状态至建立平衡的曲线等。

三、透彻理解图像背后隐藏的本质从外界条件（温度、压强、浓度、催化剂）的改变对速率和平衡的影响出发，着力扫清学生在理解这些知识点中易错、易混淆的部分。

遵循从简单到复杂的呈现原则，由单一温度改变入手，再讨论单一压强改变，但在压强一处进行了变式，即产物的状态改变后，平衡出现了特殊变化。

在讨论浓度因素时，从改变单一物质的浓度到改变多个物质的浓度，同时引入了定量的计算。

当讨论催化剂问题时，由单一催化剂的影响，转变为多催化剂影响，由温度改变不仅影响催化剂的活性，同时还引起反应速率和平衡的移动，问题设置更趋复杂。

【典例1】【2019•江苏】CO 2的资源化利用能有效减少CO 2排放，充分利用碳资源。

（3）CO 2催化加氢合成二甲醚是一种CO 2转化方法，其过程中主要发生下列反应：反应Ⅰ：CO 2(g)+H 2(g)CO(g)+H 2O(g) ΔH =41.2 kJ·mol −1 反应Ⅱ：2CO 2(g)+6H 2(g)CH 3OCH 3(g)+3H 2O(g) ΔH =﹣122.5 kJ·mol −1在恒压、CO 2和H 2的起始量一定的条件下，CO 2平衡转化率和平衡时CH 3OCH 3的选择性随温度的变化如图。

其中：CH 3OCH 3的选择性=332CH OCH C 2O 的物质的量反应的的物质的量×100％①温度高于300 ℃，CO2平衡转化率随温度升高而上升的原因是▲。

②220 ℃时，在催化剂作用下CO2与H2反应一段时间后，测得CH3OCH3的选择性为48%（图中A点）。

不改变反应时间和温度，一定能提高CH3OCH3选择性的措施有▲。

【答案】（3）①反应Ⅰ的ΔH＞0，反应Ⅱ的ΔH＜0，温度升高使CO2转化为CO的平衡转化率上升，使CO2转化为CH3OCH3的平衡转化率下降，且上升幅度超过下降幅度②增大压强，使用对反应Ⅱ催化活性更高的催化剂【解析】本题注重理论联系实际，引导考生认识并体会化学科学对社会发展的作用，试题以减少CO2排放，充分利用碳资源为背景，考查《化学反应原理》模块中方程式的计算、电化学、外界条件对化学反应速率和化学平衡的影响等基本知识；（3）①根据反应方程式，反应I为吸热反应，升高温度，平衡向正反应方向移动，CO2的转化率增大，反应II为放热反应，升高温度，平衡向逆反应方向进行，CO2的转化率降低，根据图像，上升幅度超过下降幅度，因此温度超过300℃时，CO2转化率上升。

②图中A点CH3OCH3的选择性没有达到此温度下平衡时CH3OCH3的选择性，依据CH3OCH3选择性公式，提高CH3OCH3选择性，不改变反应时间和温度时，根据反应II，可以增大压强，或者使用对反应II催化活性更高的催化剂。

【素养解读】本题以碳排放、碳捕捉为真实情境，考查温度对竞争性反应所达平衡的影响、化学平衡图像中信息的吸收与整合能力、利用化学平衡原理分析和解决实际问题的能力。