化學反應速率與化學平衡圖像解題研究

黃春德 辛靜玲

(1.廣東省惠州市華羅庚中學 516000;2.廣東省惠州市實驗中學 516000)

黃春德 (1988.7-)，廣東省惠州人，本科，中學二級教師，從事中學化學教學研究.

一、構建常規思維模型

1.速率—時間圖(v-t)

例1觀察圖組1與圖組2，分別找出兩組圖像的相同點，說說你能得到的規律？

解析圖1，t1時刻的圖型變化為一個單斷點另一個為漸變點；改變的條件是單一改變反應物或生成物的濃度.圖1甲增大反應物的濃度，圖1乙減小反應物濃度，圖1丙增大生成物濃度.

圖2甲改變的條件可能是：升高溫度或者增加壓強.當ΔH>0,則升高溫度滿足該圖情況；或者當a+b>c+d，增大壓強滿足該圖情況.

圖2乙改變的條件可能是：降低溫度或者減小壓強.當ΔH<0，則降低溫度滿足該圖情況；或者當a+b>c+d，降低壓強滿足該圖情況.

圖3丙改變的條件可能是：增大壓強或者催化劑.催化劑滿足此圖所有情況；或者當a+b=c+d，增大壓強滿足該圖情況.

圖3

解析圖中v′(正)增大，v′(逆)減小，可能是一定程度增大反應物A的同時又減小生成物C和D的濃度；也可能是恒壓體系中充入反應物A氣體.

注意：此圖對于反應物氣體有兩種的，必須同等倍數通入氣體反應物的量，否則平衡時候的新速率會不等于原平衡的速率.

2.含量/轉化率—時間圖

常見圖像形式有如圖4所示幾種，其中C%指生成物的百分含量.

圖4

此類題型的解題關鍵是：先拐先平速率快.就是折線圖中先出現拐點的先平衡，說明其反應速率快，并由此判斷溫度較高或者壓強較大.

圖4①a比b先平衡，說明v(a)>v(b)；而又因為平衡時C%不變，說明平衡不移動，那么改變的條件可能是a加入了正催化劑或者反應前后氣體分子數不變的反應增大壓強的情況.

圖4②T2比T1先拐，則T2>T1.升高溫度，C%增大，說明平衡往正反應方向移動，說明ΔH>0.

圖4③p1比p2先拐，則p1>p2.增大壓強，C%增大，說明平衡往正反應方向移動，因此正反應方向為氣體體積減小的方向.

評議圖1和圖2有個共同特點，橫坐標都是時間，考察的是與化學反應速率有關的相關知識.都是根據化學反應速率隨著時間的變化情況來判斷反應平衡移動方向，進而判斷反應的熱效應或者反應前后氣體分子數的變化情況.

3.恒壓線或恒溫線圖(如圖5所示)，其中A%可能是反應物或生成物平衡時的百分含量.

圖5

此類圖形有多個變量，在分析圖形應該要控制變量，可以采用“定一議二法”.

如圖6所示，分析溫度對A的轉化率的影響，可以任選某一壓強線.觀察發現：隨著溫度的升高，A的轉化率增加，說明反應往正反應方向進行，由此得出正反應為吸熱反應.

圖6

當考慮壓強對反應的影響時，溫度必須固定，因此要做一條輔助線，如圖6所示，可以發現，隨著壓強的增大，A的轉化率升高，由此說明該反應正反應方向為氣體體積減小的反應.

二、應用常規模型，突破信息型模型

在高考考題中，經常換個新的情境，換個角度設問，考察的知識與關鍵能力并沒有改變，以達到“以生考熟”的目的.這就好比老師教學生上課包餃子，而考試的內容是做叉燒包，并在試題中提供信息，要注意蒸包子的溫度，時間等問題.

1.考題中常見的“山形圖與凹形圖”(如圖7所示).

圖7

分析此類圖型一般考察的是同一時間不同溫度測定某一物質的百分含量.M點以前是未平衡的點，M點及以后是平衡的點.在圖7中，起點到M點以前，隨著溫度的升高，A%在逐漸減少，說明隨著溫度的升高，v正>v逆.隨著溫度的升高，速率加快，A%逐漸減??；而M點以后A%逐漸上升，說明該反應為放熱反應，升高溫度，平衡往逆反應方向進行，故A%反而增加了.

圖8

由圖8可知，催化劑活性最大時對應的溫度約為____，COS的轉化率在后期下降的原因是____.

分析此圖跟上述考法1屬于同圖異考，解題的關鍵是要審題，題目中有兩個關鍵詞：催化劑和未達到平衡.由此可知轉化率的高低主要與速率有關，而速率的高低快慢又與催化劑的活性有關.因此，前半段隨著溫度升高，速率增大，主要是催化劑的活性增強；后半段出現隨著溫度升高，催化劑活性降低，故速率降低，COS的轉化率也下降.

參考答案:150℃；溫度過高，使催化劑活性減弱或喪失，導致轉化率減小.

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

圖9

圖9為反應產率和反應溫度的關系曲線，副產物主要是高溫丁烷裂解生成的短碳鏈烴類化合物.丁烯產率在590℃之前隨溫度升高而增大的原因可能是____、____；590℃之后，丁烯產率快速降低的主要原因可能是____.

分析此題與前面圖型有相同點，一樣出現了“山形圖”.此題的關鍵信息是：高溫丁烷裂解生成副產物，無論是文字還是圖型中均有所涉及.因此，590℃以前，隨著溫度的升高，速率加快，單位時間內產生的丁烯量增多；同時，該反應又是吸熱反應，升高溫度，平衡往正反應方向進行，因此丁烯產率增大.590℃，主要是發生了副反應丁烷裂解生成的短碳鏈烴類化合物，故丁烯的產率反而降低.

參考答案:升高溫度有利于反應向吸熱方向進行 溫度升高反應速率加快； 丁烷高溫裂解生成短鏈烴類

2.轉化率/百分含量—投料比圖

圖10

考法2(2019·全國卷 Ⅲ)近年來，隨著聚酯工業的快速發展，氯氣的需求量和氯化氫的產出量也隨之迅速增長.因此，將氯化氫轉化為氯氣的技術成為科學研究的熱點.Deacon發明的直接氧化法為：

圖11為剛性容器中，進料濃度比c(HCl)∶c(O2)分別等于1∶1、4∶1、7∶1時HCl平衡轉化率隨溫度變化的關系.

圖11

按化學計量比進料可以保持反應物高轉化率，同時降低產物分離的能耗.進料濃度比c(HCl)∶c(O2)過低、過高的不利影響分別是____.

分析此題的審題關鍵是，按化學計量比進料可以保持反應物高轉化率，同時降低產物分離的能耗.又因為在溫度一定的條件下，c(HCl)和c(O2)的進料比越大，HCl的平衡轉化率越低，所以題圖中自上而下三條曲線是c(HCl)∶c(O2) (進料濃度比)為1∶1、4∶1、7∶1時的變化曲線.所以有c(HCl)∶c(CO2)過高時，HCl轉化率較低；當c(HCl)∶c(O2)過低時，過量的O2和Cl2分離時能耗較高.

綜上所述，化學反應速率與化學平衡的圖像，審題是最重要的因素之一，審題不僅要看清楚題目文字信息，也要看清楚圖像.學會常規解題思路，并結合信息解決實際問題.高考考察的是學生應用舊知識解決新問題的能力.重在能力的應用與培養.