高考化学一轮总复习考点扫描专题21化学平衡计算与图像学案.docx
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高考化学一轮总复习考点扫描专题21化学平衡计算与图像学案
专题21化学平衡计算与图像
【复习目标】
1.能够利用化学平衡常数进行简单的计算。
2.了解化学平衡的调控在生活、生产和科学研究领域中的重要作用。
【考情分析】化学平衡是中学化学重要基础理论之一,是中学化学所涉及的沉淀溶解平衡、电离平衡、等知识的核心,对很多知识的学习起着指导作用。
而化学平衡是高考的热点,也是重点和难点,化学平衡图像问题是高考化学试题中最常见的一种题型,是将化学知识(化学基本概念、化学原理)与数学的函数曲线相结合的一种题型。
图像和图表分析能力是高中化学重点考查的能力之一,从近几年的高考试题看,化学反应速率、化学平衡的图像和图表题属于高频考点,要求学生能够分析图像、图表,结合化学平衡移动原理答题。
【考点过关】
考点一化学平衡有关计算
相关量
起始量、变化量、平衡量
3H2+N2
2NH3△n
初始量ab0a+b
变化量3xx2x-2x
平衡量a-3xb-x2xa+b-2x
对于同一反应物,起始量-变化量=平衡量
对于同一生成物,起始量+变化量=平衡量
各转化量之比等于各反应物的化学计量数之比
公式
反应物的转化率=
×100%=
×100%
生成物的产率=
×100%
混合物组分的百分含量=
×100%
平衡常数K=(a-3x)3·(b-x)/(2x)2
【考点演练】
(1)雾霾天气严重影响人们的生活,其中氮氧化物和硫氧化物是造成雾霾天气的主要原因之一,用活性炭还原法处理氮氧化物是消除氮的氧化物的常用方法之一。
某研究小组向某密闭容器中加入一定量的活性炭和NO,发生反应:
C(s)+2NO(g)
N2(g)+CO2(g)ΔH=QkJ·mol-1。
在T1℃时,反应进行到不同时间测得各物质的浓度如下表,则Tl℃时,该反应的平衡常数K=。
时间/min
浓度/mol·L-1
0
10
20
30
40
50
NO
1.00
0.58
0.40
0.40
0.48
0.48
N2
0
0.21
0.30
0.30
0.36
0.36
CO2
0
0.21
0.30
0.30
0.36
0.36
(2)某研究小组在实验室探究氨基甲酸铵(NH2COONH4)分解反应平衡常数的测定。
将一定量纯净的氨基甲酸铵置于特制的密闭真空容器中(假设容器体积不变,固体试样体积忽略不计),使其达到分解平衡:
NH2COONH4(s)
2NH3(g)+CO2(g)。
实验测得不同温度下的平衡数据列于下表:
温度/℃
15
20
25
30
35
平衡总压强/kPa
5.7
8.3
12.0
17.1
24.0
平衡气体总浓度/10-3mol·L-1
2.4
3.4
4.8
6.8
9.4
根据表中数据,写出15℃时的分解平衡常数计算表达式及结果(结果保留三位有效数字):
。
(3)已知T℃时,反应FeO(s)+CO(g)
Fe(s)+CO2(g)的平衡常数K=0.25。
①T℃时,反应达到平衡时n(CO)∶n(CO2)=。
②若在1L密闭容器中加入0.02molFeO(s),并通入xmolCO,T℃时反应达到平衡。
此时FeO(s)的转化率为50%,则x=。
答案:
(1)
(2)K=c2(NH3)·c(CO2)=
×0.8×10-3=2.05×10-9(3)①4∶1②0.05
考点二化学平衡图像[mA(g)+nB(g)
hC(g)+qD(g)ΔH]
转化率-时间-温度(压强)图
(p一定时,ΔH<0)
(T一定时,m+n>h+q)
(T一定时,m+n (T一定时,m+n=h+q) 含量-时间-温度(压强)图 (p一定时,ΔH>0) (p一定时,ΔH>0) (T一定时,m+n>h+q) (T一定时,m+n>h+q) 转化率-温度-压强图 (m+n>h+q,ΔH>0) (m+n 含量-温度-压强图 (m+n>h+q,ΔH>0) (m+n (m+n>h+q,ΔH<0) (m+n>h+q,ΔH>0) 解题技巧 在含量(转化率)—时间曲线中,先出现拐点的先达到平衡,说明该曲线反应速率快,表示温度较高、有催化剂、压强较大等 当图像中有三个量时,先确定一个量不变,再讨论另外两个量的关系,有时还需要作辅助线 一看反应速率是增大还是减小;二看v正、v逆的相对大小;三看化学平衡移动的方向 【考点演练】 (1)可逆反应: aA(g)+bB(g) cC(g)+dD(g)ΔH=Q。 根据下图回答: ①p1p2;②a+bc+d;③T1T2;④ΔH0。 (2)可逆反应: 2A(g)+B(g) 2C(g)ΔH=Q,平衡时C的百分含量、B的转化率与温度、压强的关系满足下图,根据图像回答: ①p1p2;②ΔH0。 ③图中标出的1、2、3、4四个点表示v(正)>v(逆)的点是。 (3)某密闭容器中发生如下反应: X(g)+3Y(g) 2Z(g)ΔH<0。 下图表示该反应的速率(v)随时间(t)变化的关系,t2、t3、t5时刻外界条件有所改变,但都没有改变各物质的初始加入量。 ①t2、t3、t5时刻改变的条件依次是、、。 ②Z的百分含量最低的时间是。 (4)将物质的量均为3.00mol的物质A、B混合于5L容器中,发生如下反应: 3A+B 2C。 在反应过程中C的物质的量分数随温度变化如右图所示: ①T0对应的反应速率v(正)(填“>”、“<”或“=”)v(逆)。 ②此反应的正反应为(填“吸”或“放”)热反应。 (5)在一容积为2L的恒容密闭容器内加入0.4molA和0.6molB,一定条件下发生反应2A(g)+B(g) 2C(g),反应中C的物质的量浓度变化情况如下图。 在第5min时,将容器的体积缩小一半后,若在第8min达到新的平衡时A的总转化率为75%,请在上图中画出第5min到新平衡时C的物质的量浓度的变化曲线。 2A(g)+B(g) 2C(g) 起始/mol·L-1: 0.20.50.2 转化/mol·L-1: 0.10.050.1 平衡/mol·L-1: 0.10.450.3 第8min达到新的平衡时,c(C)=0.3mol·L-1。 答案: (1)①<②<③>④> (2)①<②<③3(3)①使用催化剂减小压强升高温度②t6(4)①=②放(5) 【过关练习】 1.(乌鲁木齐市2018届高三下学期第二次诊断性测验)党的十九大报告指出: 要持续实施大气污染防治行动,打赢蓝天保卫战。 当前空气质量检测的主要项目除了PM2.5外,还有CO、SO2、氮氧化物(NO和NO2)、O3等气体。 (1)汽车尾气中含有NO和CO气体,可利用催化剂对CO、NO进行催化转化反应: 2CO(g)+2NO(g) N2(g)+2CO2(g)△H ①已知下列热化学方程式: N2(g)+O2(g)=2NO(g)△H1=+180.5kJ/mol,2C(s)+O2(g)=2CO(g)△H2=-2210kJ/mol,C(s)+O2(g)=CO2(g)△H3=-393.5kJ/mol,则△H=_________。 ②在一定温度下,将2.0molNO、2.4molCO气体通入到固定容积为2L的密闭容器中,反应过程中部分物质的浓度变化如下图所示。 在0~15min,以N2表示的该反应的平均速度v(N2)=________。 若保持反应体系温度不变,20min时再容器中充入NO、N2各0.4mol,化学平衡将_____移动(填“向左”“向右”或“不”)。 (2)在相同温度下,两个体积均为1L的恒容密闭容器中,发生CO、NO催化转化反应,有关物质的量如下表: 容器编号 起始物质的量/mol 平衡物质的量/mol NO CO N2 CO2 CO2 I 0.2 0.2 0 0 a II 0.3 0.3 b 0.1 0.2 ①容器I中平衡后气体的压强为开始时的0.875倍,则a=________。 ②容器II平衡时的气体压强为p,用平衡分压代替平衡浓度表示的平衡常数K为________。 (3)汽车使用乙醇汽油并不能破少NOx的排放。 某研究小组在实验室以耐高温试剂Ag-ZSW-5对CO、NO催化转化进行研究。 测得NO转化为N2的转化率随温度CO混存量的变化情况如图所示。 ①在n(NO)/n(CO)=1条件下,最佳温度应控制在_______左右。 ②若不使用CO,温度超过775K,发现NO的分解率降低,其可能的原因为________。 ③加入CO后NO转化为N2的转化率增大的原因是_______(用平衡移动的原理解释)。 (4)以NO2、O2、熔融NaNO3组成的燃料电池装置如右图所示,在使用过程中石墨I电极反应生成一种氧化物Y,则该电极反应式为_______。 答案: -746.5kJ·mol-10.013mol/(L·min)左0.14/p870K(860~880K范围都可以)NO直接分解成N2的反应是放热反应,升高温度不利于反应进行加入的CO与NO分解生成的O2反应,使NO分解平衡向生成N2的方向移动,因此NO转化率升高NO2+NO3--e-=N2O5 (2)容器的体积为1L,根据表格中容器I的数据,列出三段式: 2CO(g)+2NO(g) N2(g)+2CO2(g) 起始浓度: 0.20.200 变化浓度: aa0.5aa 平衡浓度: 0.2-a0.2-a0.5aa 已知容器I中平衡后气体的压强为开始时的0.875倍,恒温条件下,气体的压强之比等于气体的物质的量之比: 0.2-a+0.2-a+0.5a+a=0.875×(0.2+0.2),a=0.1mol;容器I与容器II温度相同,平衡常数相等;容器的体积为1L,容器容器I中的化学平衡常数为K=c(N2)×c(CO2)2/c(NO)2c(CO)2=0.5×0.1×(0.1)2/(0.1)2×(0.1)2=5;容器II中根据表格数据可三段式: 2CO(g)+2NO(g) N2(g)+2CO2(g) 起始浓度: 0.30.3b0.1 变化浓度: 0.10.10.050.1 平衡浓度: 0.20.2b-0.050.2 则K=c(N2)×c(CO2)2/c(NO)2×c(CO)2=(b-0.05)×(0.2)2/(0.2)2×(0.2)2=5,解之得b=0.25,则平衡时气体的总量为0.8mol,各组分气体均为0.2mol,各气体的分压均为p/4;用平衡分压代替平衡浓度表示的平衡常数K=p/4×(p/4)2/(p/4)2×(p/4)2=4/p。 (3)①由图可知,在n(NO)/n(CO)=1条件下,温度为870K左右时,一氧化氮还原为氮气的的转化率最高。 ②升高温度,发现一氧化氮的分解率降低,说明反应左移,该反应为放热反应。 ③加入CO会与NO的分解的产物氧气反应,促进了NO分解平衡向生成N2的方向移动,因此NO转化率升高。 (4)通入氧气的一极发生还原反应,为燃料电池的正极;通入NO2气体的一极为燃料电池的负极,发生氧化反应,且NO2被氧化为五氧化二氮;则该电极反应式为: NO2+NO3--e- =N2O5。 2.(江西省九所重点中学2018届高三联合考试)研究发现,NOx和SO2是雾霾的主要成分。 Ⅰ.NOx主要来源于汽车尾气,可以利用化学方法将二者转化为无毒无害的物质。 已知: N2(g)+O2(g) 2NO(g)ΔH=+180kJ·mol-1 2CO(g)+O2(g) 2CO2(g)ΔH=-564kJ·mol-1 (1)2NO(g)+2CO(g) 2CO2(g)+N2(g)ΔH=_________,该反应在_______下能自发进行(填写: 高温或低温或任意温度) (2)T℃时,将等物质的量的NO和CO充入容积为2L的密闭容器中,保持温度和体积不变,反应过程(0~15min)中NO的物质的量随时间变化如上图所示。 ①已知: 平衡时气体的分压=气体的体积分数×体系的总压强,T℃时达到平衡,此时体系的总压强为p=20MPa,则T℃时该反应的压力平衡常数Kp=_______;平衡后,若保持温度不变,再向容器中充入NO和CO2各0.3mol,平衡将_____(填“向左”、“向右”或“不”)移动。 ②15min时,若改变外界反应条件,导致n(NO)发生如图所示的变化,则改变的条件可能是__(填序号) A.增大CO浓度B.升温C.减小容器体积D.加入催化剂 Ⅱ.SO2主要来源于煤的燃烧。 燃烧烟气的脱硫减排是减少大气中含硫化合物污染的关键。 已知: 亚硫酸: Ka1=2.0×10-2Ka2=6.0×10-7 (3)请通过计算证明,NaHSO3溶液显酸性的原因: ______________________________ (4)如上方图示的电解装置,可将雾霾中的NO、SO2转化为硫酸铵,从而实现废气的回收再利用。 通入NO的电极反应式为____________________;若通入的NO体积为4.48L(标况下),则另外一个电极通入的SO2质量至少为________g。 答案: (1)-744kJ·mol-1低温 (2)0.0875(MPa)-1(或7/80(MPa)-1)不AC(3)HSO3-的水解常数K=Kw/Ka1=5.0×10-13 +H2O32 改变某一因素,NO的物质的量减少,说明平衡向正反应方向移动,A、增大CO的浓度,平衡向正反应方向移动,NO的物质的量减小,故A正确;B、正反应是放热反应,升温,平衡向逆反应方向移动,NO的物质的量增大,故B错误;C、减小容器的体积,相当于增大压强,平衡向正反应方向移动,NO物质的量减小,故C正确;D、加入催化剂,化学平衡不移动,故D错误;(3)考查电离平衡常数、水解平衡常数、水的离子积的关系,HSO3-的水解常数K=Kw/Ka1=5.0×10-13 3.(南阳市第一中学2018届高三第九次考试)基于CaSO4为载氧体的天然气燃烧是一种新型绿色的燃烧方式,CaSO4作为氧和热量的有效载体,能够髙效低能耗地实现CO2的分离和捕获其原理如下图所示: (1)已知在燃料反应器中发生如下反应: i.CaSO4(g)+CH4(g)=4CaO(s)+CO2(g)+4SO2(g)+2H2O(g)ΔH1=akJ/mol ii.CaSO4(s)+CH4(g)=CaS(s)+CO2(g)+2H2O(g)ΔH2=bkJ/mol ⅲ.CaS(s)+3CaSO4(s)=4CaO(s)+4SO2(g)ΔH3=ckJ/mol ①燃料反应器中主反应为_____________(填“i”“ii”或“ⅲ”)。 ②反应i和ii的平衡常数Kp与温度的关系如图1,则a_____________0(填“>”“=”或“<”);720℃时反应ⅲ的平衡常数Kp=_________________。 ③下列措施可提高反应ii中甲烷平衡转化率的是______________。 A.增加CaSO4固体的投入量B.将水蒸气冷凝C.降温D.增大甲烷流量 (2)如图2所示,该燃料反应器最佳温度范围为850℃-900℃之间,从化学反应原理的角度说明原因: ________________________。 (3)空气反应器中发生的反应为: CaS(s)+2O2(g)=CaSO4(s)ΔH4=dkJ/mol,根据热化学原理推测该反应为__________________(填“吸热”或“放热”)反应。 (4)该原理总反应的热化学方程式为_____________________________。 (5)25℃时,用Na2S沉淀Cu2+、Sn2+两种金属离子(M2+),所需S2-最低浓度的对数值lgc(S2-)与lgc(M2+)的关系如右图所示,请回答: 25℃时向50mL的Sn2+、Cu2+浓度均为0.01mol/L的混合溶液中逐滴加入Na2S溶液,当Na2S溶液加到150mL时开始生成SnS沉淀,则此时溶液中Cu2+浓度为___________mol/L。 答案: (1)ii>1.0×10-18B (2)温度过低,反应速率较慢;温度较高,副反应增多(3)放热(4)CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(g)ΔH=(b+d)kJ/mol或ΔH=(a-c+d)kI/mol(5)2.5×10-13 CaS(s)+2O2(g)=CaSO4(s)ΔH4=dkJ/mol,两个热化学方程式相加可得甲烷燃烧的热化学方程式为: CH4(g)+2O2(g) =CO2(g)+2H2O(g)ΔH=(b+d)kJ/mol,因为反应ⅲ=反应i-反应ii,所以焓变关系有c=a-b,故有b=a-c,故ΔH=(b+d)kJ/mol=(a-c+d)kI/mol。 (5)两条曲线均是溶解平衡曲线,lgc(Sn2+)+lgc(S2-)=-25,所以Ksp(SnS)=10-25,lgc(Cu2+)+lgc(S2-)=-35,所以Ksp(CuS)=10-35。 向50mL的Sn2+、Cu2+浓度均为0.01mol/L的混合溶液中逐滴加入150mLNa2S溶液时,Sn2+的浓度为0.01/4(mol/L),此时Sn2+开始沉淀,则c(S2-)=Ksp(SnS)÷c(Sn2+)=10-25÷0.01/4(mol/L)=4×10-23mol/L,所以c(Cu2+)=Ksp(CuS)÷c(S2-)=10-35÷(4×10-23)mol/L=2.5×10-13。 4.(南平市2018届高三第一次综合质量检查)利用H2S废气制取H2的方法有利于环保。 (l)H2S的电子式是____,H2S溶液中H2S、HS-,S2-的物质的量分数δ(X)随pH的变化如图所示,H2S的电离平衡常数ka1=___________ (2)利用H2S废气制取H2的方法有多种。 ①热化学硫碘循环法已知循环反应如下: H2S(g)+H2SO4(aq)═S(s)+SO2(g)+2H2O(l)△H1=61kJ/mol SO2(g)+I2(g)+2H2O(l)=2HI(aq)+H2SO4(aq)△H2=-151kJ/mol 2HI(aq)=H2(g)+I2(g)△H3=110kJ/mol 写出硫化氢气体分解为氢气和固体硫的热化学方程式_____。 ②高温热分解法 已知: H2S(g)=H2(g)+l/2S2(g),在恒温密闭容器中,控制不同温度进行H2S分解实验。 以H2S起始浓度均为cmol/L,测定H2S的转化率,H2S的平衡转化率与温度关系如图所示。 据图可知: 温度升高平衡常数K_______(填“增大”、“减小”或“不变”)。 若985℃时平衡常数K=0.04,则起始浓度c=______mol/L。 ③电化学法该法制氢过程的示意图如上图。 循环利用的物质是____。 反应池中化学反应方程式为______。 电解池阳极电极反应式为____。 答案: (1) 10-7.24 (2)H2S(g)==H2(g)+S(s)ΔH=20KJ·mol-1增大0.018FeCl32FeCl3+H2S==2FeCl2+S↓+2HClFe2+-e-==Fe3+ ②据图可知: 温度升高,H2S的平衡转化率增大,平衡正向移动,平衡常数K增大。 985℃时,H2S的平衡转化率为40%,起始浓度H2S的浓度为cmol/L,则平衡时c(H2S)=0.6cmol/L,c(H2)=0.4cmol/L,c(S2)=0.2cmol/L,则K=0.04= ,解得c=0.018;③根据装置图,硫化氢与氯化铁在反应池中发生2FeCl3+H2S=2FeCl2+S↓+2HCl,反应生成的亚铁离子在电解池中被氧化生成铁离子,参与循环利用,电解池阳极电极反应式为Fe2+-e-=Fe3+。 5.(长春外国语学校2018届高三下学期期初考试)铁及其化合物在工农业生产中有重要的作用。 (1)已知: ①C(s)+O2(g)=CO2(g)△H1=-393.5kJ/mol; ②C(s)+CO2(g)=2CO(g)△H2=+172.5kJ/mol ③4Fe(s)+3O2(g)=2Fe2O3(s)△H3=-1651.0kJ/mol CO还原Fe2O3的热化学方程式为__________________________________________。 (2)高炉炼铁产生的高炉气中含有CO、H2、CO2等气体,用CO和H2在催化剂作用下合成甲醇,是减少污染、节约能源的新举措,反应原理: CO(g)+2H2(g) CH3OH(g)△H。 在体积不同的两个恒容密闭容器中分别充入1molCO和2molH2,测得平衡混合物中CH3OH的体积分数在不同压强下随温度的变化如图。 ①在上图A、B、C三点中,选出对应下表物理量最小的点。 反应速率 平衡常数K 平衡转化率α _________ _________ _________ ②在300℃时,向C点平衡体系中再充入0.5molCO、1.0molH2和0.5mol的CH3OH,该反应向_________方向进行(填“正反应”、‘逆反应”或“不移动”)。 ③一定温度下,CO的转化率与起始投料比[n(H2)/n(CO)]的变化关系图所示,测得D点氢气的转化率为40%,则x=_____________。 (3)三氯化铁是一种重要的化合物,可以用来腐蚀电路板。 某腐蚀废液中含有0.5mol·L-1Fe3+和0.26mol·L-1的Cu2+,欲使Fe3+完全沉淀[c(Fe3+)≤4×l0-5]而Cu2+不沉淀,则需控制溶液pH的范围为_________。 [KspCu(OH)2=2.6×l0-19;KspFe(OH)3=4×l0-38] (4)莫尔盐,即六水合硫酸亚铁铵晶体,是一种重要的化工原料,在空气中缓慢风化及氧化,欲证明一瓶久置的莫尔盐已经部分氧化,需要进行实验操作是: 取少量样品,加无氧水溶解,将溶液分成两份,_____________________
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