化學反應速率和化學平衡圖像綜合問題解題策略研究

郭晨輝

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

關鍵詞：高中化學；化學平衡；圖像

中圖分類號：G632???文獻標識碼：A???文章編號：1008-0333（2024）15-0121-03

化學平衡圖像類試題經常涉及的圖像類型有含量—時間—溫度（壓強）、恒溫、恒壓曲線等.圖像中蘊含著豐富的信息，具有簡明、直觀、形象的特點，命題形式靈活，解題的關鍵是根據反應特點，明確反應條件，認真分析圖像，充分挖掘蘊含的信息，緊扣化學原理，找準切入點解決問題[1-2].具體思考過程如圖1所示：

1 常規圖像

化學反應速率和化學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：在轉化率（或百分含量）—時間曲線中，先出現拐點的先達到平衡，說明該曲線反應速率大，表示溫度較高、有催化劑、壓強較大等；②定一議二：當圖像中有三個量時（如恒溫線或恒壓線），先確定一個量不變，再討論另外兩個量的關系[3-4].下面以一道例題為例進行講解.

例1?（湖南卷）實驗臺上有甲、乙兩個恒容容器，向兩容器中分別充入X和Y，二者的反應如下：

2X（g）+Y（g）Z（g）

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

（1）證明ΔH<0；

（2）氣體的總物質的量na和nc的關系；

（3）證明a點平衡常數K<12；

（4）反應速率va正和vb的關系.

解?本題考查化學平衡、化學反應速率等.

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

（1）略.

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

（3）因為乙容器中的反應為恒溫過程，c點時體系壓強為p，而起始壓強為2p，則c點氣體的總物質的量nc=12×（2 mol+1 mol）=1.2 mol，設從開始到c點，Y反應了x mol，結合X和Y的化學方程式有

（2-2x）mol+（1-x）mol+x mol=1.5 mol

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

（4）a、b時反應均已達平衡，溫度：a>b，且對該反應升溫平衡逆向移動，則a點反應物濃度大于b點，所以反應速率va正>vb正.

2 新型圖像

化學反應速率和化學平衡問題的知識點博雜，出題角度很多，在高考中常會出現一些異于常規圖像的新型圖像.這類新型圖像最明顯的特點是并未對圖中的曲線直接定義，而是要求解題者能夠根據題目給出的反應方程進行推理，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

某科學興趣小組的同學在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，反應平衡時二氧化碳和一氧化碳的選擇性以及氫氣的產率隨溫度變化的情況如圖4所示（只考慮上述兩個主要反應），CO=n生成（CO）n生成（CO2）+n生成（CO）×100%.請問下列哪項說法正確的.

A.圖中曲線①表示平衡時H2產率隨溫度的變化

B.升高溫度，平衡時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H2產率

解?由分析可知圖4中曲線②代表H2的產率，故A錯誤；由分析可知升高溫度，平衡時CO的選擇性減小，故B錯誤；一定溫度下增大n（C2H5OH）/n（H2O），可以認為開始時水蒸氣物質的量不變，增大乙醇物質的量，乙醇的平衡轉化率降低，故C錯誤；加入CaO（s）與水反應放熱，且CaO吸收CO2，促進反應①向正反應方向進行，反應②向逆反應方向進行，對反應①影響較大，可以增大H2產率，或者選用對反應①影響較大的高效催化劑，增加反應①的反應，減少反應②的發生，也可以增大H2產率，故D正確.因此答案為D.

3 鞏固訓練

例3?（江蘇卷）工業上常通過催化氧化反應將尾氣中的NH3與O2反應轉化為N2進行去除，以達到排放標準.現向裝有催化劑的容器中通入未知比例的NH3、O2和N2進行反應，NH3的轉化率、N2擇性=2n生成（N2）n總轉化（NH3）×100%與溫度的關系如圖5所示.已知NH3與O2反應分別生成N2、NO、NO2的反應均為放熱反應.請問下列哪項說法正確的.

A.保持其他條件不變，升高溫度，NH3的平衡轉化率增大

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應選擇反應溫度高于250 ℃

D.高效除去尾氣中的NH3，需研發低溫下NH3轉化率高和N2選擇性高的催化劑

解?圖5所示中NH3的轉化率并不是平衡轉化率，由“NH3與O2反應分別生成N2、NO、NO2的反應均為放熱反應”知，升高溫度，平衡逆向移動，NH3的平衡轉化率減小，A項錯誤；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項錯誤；溫度高于250 ℃時，N2的選擇性減小較快，NH3更易轉化成NO或NO2，仍會污染環境，C項錯誤；N2對環境無污染，由圖5知，低溫下N2的選擇性高，但低溫下反應速率慢，所以單位時間內NH3的轉化率不高，故需要研發低溫下NH3轉化率高且N2選擇性高的催化劑，D項正確.

4 結束語

化學反應速率和化學平衡圖像是化學學科中重要的內容之一，本研究旨在探討化學反應速率和化學平衡圖像綜合問題的解題策略，幫助學生更好地理解和應用這些知識點.本文通過對不同類型的化學平衡圖像進行分析總結，并以高考真題為例詳細講解，向學生介紹這類問題的解題技巧和策略，以幫助學生更好地理解問題的本質，準確把握解題思路，助利其在化學學科中取得更好的成績.

參考文獻：

［1］黃春德，辛靜玲.化學反應速率與化學平衡圖像解題研究[J].數理化解題研究，2021（13）：92-94.

[2] 馮正清.化學反應速率與化學平衡圖像的解題技巧[J].試題與研究，2019（34）：30.

[3] 穆玉鵬.化學反應速率和化學平衡圖像分類突破[J].數理化解題研究，2020（04）：82-85.

[4] 郭櫻濱.基于平衡圖像認知模型解決平衡圖像多元變化問題[J].化學教與學，2018（10）：48-51，67.

[5] 張林.“化學反應速率和化學平衡圖像”考點點擊[J].理科考試研究，2019，26（15）：49-51.

［責任編輯：季春陽］