化學平衡陌生圖象的分析解答指導

廣東 童建軍

化學平衡圖象題的特征是以圖象的形式將一些相關變量之間的關系通過形象直觀的曲線表示出來，把習題中的化學原理抽象為數學問題，旨在考查學生對曲線的數學意義和化學意義之間的對應關系分析、理解和運用能力。化學平衡圖象問題的綜合性強，思維難度大，陌生圖象在化學反應速率和化學平衡試題中的呈現已成為近年全國卷試題的一種趨勢，但由于圖象的陌生,很多學生不能迅速地將圖象轉化并獲得關鍵信息，解題時或胡亂解讀、或放棄解答,導致此類試題失分嚴重，其實結合圖象理清思路,運用所學原理是可以快速解答的。

題型一、根據圖象選擇反應最佳條件

【例1】(1)采用一種新型的催化劑(主要成分是Cu-Mn的合金)，利用CO和H2制備二甲醚(DME)。

圖1

A.0.6～0.7 B.1～1.1 C.1.5～1.6

圖2

【圖象分析】(1)解答時分清主次反應，主反應相關曲線先增后減，存在非常明顯的拐點，選擇性和轉化率最高時，最有利于二甲醚合成，所以答案是2.0。

(2)控制變量，作垂直于橫軸的一條直線交三條曲線于三點，轉化率越大越好，所以選擇b=0.6～0.7；選擇最佳氨碳比，可看最上面曲線的走勢，整體增加，曲線先陡后平(略上升)，依然選擇拐點，當氨碳比大于4.0時，增大氨氣的量，CO2轉化率增加量不大，但生產成本提高了，氨碳比太小，CO2轉化率低，均不可選擇。

【答案】(1)2.0

(2)A 當氨碳比大于4.0時，增大氨氣的量，CO2轉化率增加量不大，但生產成本提高了，氨碳比太小，CO2轉化率低

題型二、根據圖象結合相關原理解釋某種現象產生的原因

【例2】(1)以二氧化鈦表面覆蓋Cu2Al2O4為催化劑，可以將CO2和CH4直接轉化成乙酸。在不同溫度下催化劑的催化效率與乙酸的生成速率如圖3所示。250～300℃時，溫度升高而乙酸的生成速率降低的原因是______________________。

圖3

圖4

【圖象分析】(1)注意區別每個曲線對應的條件，分析兩個量之間內在的聯系。這里涉及影響反應速率的兩個因素：催化劑和溫度，弄清影響因素即可。所以250～300℃時，溫度升高而乙酸的生成速率降低的原因是：溫度超過250℃時，催化劑的催化效率降低。

(2)弄清每條曲線表示的含義，溫度低時，H2S轉化率相差較大，溫度高時，H2S轉化率幾乎相等。說明溫度高時，在該段時間里反應已經達到平衡，因而原因可以表示為溫度升高，反應速率加快，達到平衡所需的時間縮短，故曲線b向曲線a靠近。

【答案】(1)溫度超過250℃時，催化劑的催化效率降低

(2)溫度升高，反應速率加快，達到平衡所需時間縮短

題型三、根據圖象推斷反應方程式及相關信息

圖5

(2)NO直接催化分解(生成N2與O2)也是一種脫硝途徑。在不同條件下，NO的分解產物不同。在高壓下，NO在40℃下分解生成兩種化合物，體系中各組分物質的量隨時間變化曲線如圖6所示。寫出Y和Z的化學式：____________________________。

圖6

【圖象分析】(1)根據可逆反應的特征，準確確定達到平衡的點。溫度越高反應速率越快，達到平衡所需的時間越短，在相等時間內，CO2濃度最低的點是平衡點。T3溫度以后，溫度升高，CO2濃度增大，平衡逆向移動，逆反應吸熱，正反應放熱。

(2)根據題意結合圖象可知，3 mol NO分解后得到1 mol Y和1 mol Z(Y和Z均為氮的氧化物)，故Y和Z分別為N2O和NO2。

【答案】(1)<

(2)N2O和NO2

由以上例題和分析可知，化學平衡圖象將數學知識和化學平衡原理融為一體，把所要考查的知識寓于坐標曲線上，簡明、直觀、形象，易于考查學生的觀察能力、類比能力和推理能力以及證據推理與模型認知的核心素養。解答圖象題的關鍵在于對“數”、“形”、“義”、“性”的綜合思考，首先應看懂圖象中橫縱坐標表示的含義，觀察曲線的形狀和走向，弄清曲線所代表的是哪些變量間的關系，明確曲線中具有特殊含義的點，如起點、終點、交點、折點及零點，用以分析曲線的特點和變化趨勢，再結合題中給定的化學反應和數據，認準某些關鍵數據在解題中的特定作用，全面、準確地從圖中找出直接或隱含的相關解題信息以便進行推理和判斷。

【練習】燃料不充分燃燒會產生大量的CO，很多工業尾氣中均含有CO，研究CO的處理及利用的方法具有重要意義。

(1)CO有毒，使用CuO/CeO2催化劑可使CO優先氧化而脫除。在CuO/CeO2催化劑中加入不同的酸(HIO3或H3PO4)，測得燃料氣中CO優先氧化的轉化率隨溫度變化如圖7所示。

圖7

加入________(填酸的化學式)的CuO/CeO2催化劑催化性能最好。

圖8

圖9

①從反應壓強對甲醇轉化率的影響“效率”看，工業制取甲酸甲酯應選擇的壓強是________。

②實際工業生產中采用的溫度是80℃，其理由是______________________。

(4)用CaSO4代替O2與燃料CO反應，既可提高燃燒效率，又能得到高純CO2，是一種高效、清潔、經濟的新型燃燒技術，反應①為主反應，反應②和③為副反應。

ΔH2=+210.5 kJ·mol-1

反應①～③的平衡常數的對數lgK隨反應溫度T的變化曲線見圖10，結合各反應的ΔH，歸納lgK-T曲線變化規律：a.________；b.________。

圖10

【答案】(1)HIO3

(2)反應放熱，溫度升高，平衡逆向移動

(3)①4.0×106Pa ②高于80℃時，溫度對反應速率影響較小，且反應放熱，升高溫度時，平衡逆向移動，甲醇轉化率降低

(4)a.放熱反應，lgK隨T增大而減小；吸熱反應，lgK隨T增大而增大 b.焓變越大，lgK隨T的變化程度越大

【解析】(1)在圖中過某點作一條垂直于橫軸的直線(如過120℃點)交三條曲線于三點，根據三點的縱坐標可知加入HIO3時催化效果最好。

(2)轉化率問題一般考慮平衡移動，溫度升高，轉化率降低，平衡逆向移動，正反應是放熱反應。

(3)①當壓強大于4.0×106Pa時，盡管甲醇轉化率增大，但增大不多，且生產成本提高了；當壓強小于4.0×106Pa，此時甲醇轉化率太低，因而選擇的壓強應為4.0×106Pa。②從溫度對反應速率的影響和平衡移動角度來答題。高于80℃時，溫度對反應速率影響較小，且反應放熱，升高溫度時平衡逆向移動，甲醇轉化率降低。