例析化學(xué)平衡圖像問題

趙園園

化學(xué)平衡圖像題，是高中化學(xué)的重點、難點問題，也是高考的?？碱}型。特別是在圖表題比重有所增加的現(xiàn)階段，化學(xué)平衡圖像題的考查頻度也有所增加。

從考察類型看：一是以時間為自變量的圖像；二是以壓強或溫度為自變量的圖像。從知識載體角度看，其一判斷化學(xué)平衡特征；其二應(yīng)用勒夏特列原理分析平衡移動過程；其三逆向思維根據(jù)圖像判斷可逆反應(yīng)的有關(guān)特征；其四綜合運用速率與平衡知識進行有關(guān)計算。

解題關(guān)鍵：一是讀圖，弄清圖像含義，通過觀察弄清橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)的含義及單位；搞清特殊點的意義，如坐標(biāo)軸的“0”點，曲線的起點、終點、交叉點、極值點、轉(zhuǎn)折點等；分析曲線的變化趨勢如斜率大小、升降。二是識圖，進行信息提取，挖掘隱含信息、排除干擾信息、提煉有用信息，在統(tǒng)攝信息的基礎(chǔ)上進行邏輯推理或運用數(shù)據(jù)計算。三是用圖，聯(lián)想化學(xué)原理解答問題。

1. 以速度-時間（v-t）圖像計算平衡濃度

圖1例1在容積固定為2 L的密閉容器中，充入X、Y氣體各2 mol，發(fā)生可逆反應(yīng)：X（g）+2Y（g）2Z（g），并達(dá)平衡，以Y的濃度改變表示的反應(yīng)速度v正、v逆與時間t的關(guān)系如圖1所示，則Y的平衡濃度表達(dá)式正確的是（式中S是對應(yīng)區(qū)域的面積）（ ）。

A.2-SaObB.1-SaOb

C.2-SabdOD.1-SbOd

解析根據(jù)v-t曲線計算反應(yīng)物的平衡濃度，初看題目似乎無從下手，若靜心思考，從定義出發(fā)，Y減少的濃度 ，隨著反應(yīng)進行，逆反應(yīng)同時生成部分Y，因此Y的平衡濃度為初始濃度與消耗濃度之差。瞬時速率與時間的乘積即為微小矩形的面積，累積計算則Y減少的濃度表示為SaOdb，Y增加的濃度表示為SObd，則Y的平衡濃度表示為：1-（SaOdb-SObd），故選B。

2. 以v-t圖像描述化學(xué)平衡移動的本質(zhì)

例2已知合成氨的反應(yīng)為：N2（g）+3H2（g）2NH3（g），ΔH=-92.4 kJ·mol-1在一定條件下達(dá)到化學(xué)平衡，現(xiàn)升高溫度使平衡發(fā)生移動，下列圖像中能正確描述正、逆反應(yīng)速率（v）變化的是（ ）。

解析 此題易誤選D，以為逆反應(yīng)速率升高了正反應(yīng)速率必然降低，其實升高溫度放熱、吸熱方向的反應(yīng)速率都增大，但吸熱反應(yīng)增大的幅度大，因此平衡向吸熱反應(yīng)方向移動，合成氨的正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，應(yīng)選C。圖A和圖B分別是加壓、增加反應(yīng)物濃度后速率的變化情況。

3. 以物質(zhì)的量（濃度）-時間（n（c）-t）圖像描述可逆反應(yīng)達(dá)平衡的過程

圖2例3在一定溫度下，容器內(nèi)某一反應(yīng)中M、N的物質(zhì)的量n隨反應(yīng)時間t變化的曲線如圖2所示，下列表述中正確的是（ ）。

A. 反應(yīng)的化學(xué)方程式為2MN

B.t2時v正=v逆，達(dá)到平衡

C.t3時v正>v逆

D.t1時濃度c（N）=2c（M）

解析 解題關(guān)鍵是抓住起點和t1、t2、t3等特殊點，在0到t2時間內(nèi)（或選取0到t3之間的任一點）n（N）從8 mol到4 mol減少了4 mol，n（M）從2 mol到4 mol增大了2 mol，因此N為反應(yīng)物，方程式為2NM（從反應(yīng)趨勢看，N沒有完全轉(zhuǎn)化為M，故為可逆反應(yīng)）。t2時n（N）=n（M），瞬時濃度也相等，但濃度變化 并不相等，實際是v正>v逆，t3時n（N）、 2n（M）不再改變，達(dá)到了平衡狀態(tài)v正=v逆，t1時n（N）=2n（M），體積相同，c與n成正比，因此只有選項D正確。

4. 以c-t圖像描述等效平衡過程

例4在425℃時，1 L密閉容器中進行反應(yīng)：H2（g）+I2（g）2HI（g），以不同的方式加入反應(yīng)物或生成物均達(dá)到平衡（如圖3）

圖3（1）將圖示3種情況的反應(yīng)物、生成物的初始濃度和平衡濃度填入表格。

（2）以上3種情況達(dá)到化學(xué)平衡是否為同一平衡狀態(tài)？由圖中的事實可以說明化學(xué)平衡具有哪些特征？

（3）等溫、等容情況下，等效平衡的條件是什么？

解析（1）將圖像信息轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)信息是處理信息的基本能力，如表1。

（2）達(dá)平衡時反應(yīng)物和生成物濃度完全相同，故為同一平衡狀態(tài)。在一定條件下達(dá)到平衡后，正、逆反應(yīng)速率v正=v逆≠0，平衡混合物中各物質(zhì)的濃度保持不變。

（3）等溫、等容時，將生成物（或反應(yīng)物）折算為同一側(cè)的量完全相同時，即為等效平衡。

5. 以物質(zhì)的量（轉(zhuǎn)化率）-時間（n（R）-t）圖像描述溫度或壓強對平衡移動的影響

圖4例5反應(yīng)2X（g）+Y（g）2Z（g）+Q，在不同溫度（T1和T2）及壓強（p1和p2）下，產(chǎn)物Z的物質(zhì)的量與反應(yīng)時間t的關(guān)系如圖4所示，下述判斷正確的是（ ）。

A.T1p2

C.T1>T2，p1>p2D.T1>T2，p1

解析T相同時（上面2條曲線），p越大反應(yīng)速率v越快，達(dá)到化學(xué)平衡的時間t越短，故p1>p2；若從縱坐標(biāo)nZ來分析，p2→p1，nZ增大，平衡向正向移動，對照反應(yīng)特征（氣體體積減小）可知p1>p2。同理，壓強相同時（下面2條曲線），溫度越高反應(yīng)速率越快，達(dá)到化學(xué)平衡的時間越短，故T1>T2，或從n（Z）來分析，T1→T2減小，平衡向逆向移動（正向放熱則逆向吸熱），說明T1>T2，選C。

6. 以轉(zhuǎn)化率（體積分?jǐn)?shù)）-壓強、溫度（R（φ）-p、T）圖像判斷平衡狀態(tài)

圖5例6如圖5，條件一定時，反應(yīng)2NO+O22NO2，ΔH<0中NO的轉(zhuǎn)化率與T變化關(guān)系曲線圖，圖中有a、b、c、d 4個點，其中表示未達(dá)到平衡狀態(tài)，且v正

A. a B. b C. c D. d

解析a、b在曲線上為平衡點，c、d點未達(dá)平衡。d點在曲線右上方，從d點向橫坐標(biāo)引輔助線，可知該溫度平衡時R（NO）比d點的小，說明該點未達(dá)平衡，且V正

7. 根據(jù)R（質(zhì)量分?jǐn)?shù)w、體積分?jǐn)?shù)φ）-p、T圖像判斷反應(yīng)特征

例7已知反應(yīng)mA（g）+nB（g）xC（g）+yD（g），A的轉(zhuǎn)化率RA與p、T的關(guān)系如圖，根據(jù)圖示可以得出的正確結(jié)論是（ ）。

A. 正反應(yīng)吸熱，m+n>x+y

B. 正反應(yīng)吸熱， m+n

C.正反應(yīng)放熱，m+n>x+y

D. 正反應(yīng)放熱， m+n

解析相同p時，升高T，RA提高，說明正反應(yīng)為吸熱；相同T，增大p，RA提高，說明正反應(yīng)為氣體體積縮小的方向，m+n>x+y，故選A。

8. 由v-p（T）圖像描述平衡移動時正逆v的變化

例8下列反應(yīng)符合下圖p-v變化曲線的是（ ）。

A. H2（g）+I2（g）2HI（g）

B.3NO2（g）+H2O（l）2HNO3（l）+NO（g）

C. 4NH3（g）+5O2（g）4NO（g）+6H2O（g）

D. CO（g）+C（s）2CO（g）

解析 根據(jù)勒沙特列原理，增大p，V正、V逆都增大，但氣體分子數(shù)多的一邊增大的幅度大，平衡向氣體體積縮小的方向移動。由圖示可知，V正斜率大，即隨p增大V正增大的多，故V正應(yīng)為氣體分子數(shù)較多的一邊，B選項符合圖示。

9. 混合氣體平均相對分子質(zhì)量-溫度（壓強）

例9可逆反應(yīng)2A+B2C（g）+Q（Q>0）隨T（℃）變化氣體平均相對分子質(zhì)量Mr的變化如圖所示，則下列敘述中正確的是（ ）。

A.A和B可能都是固體

B.A和B一定都是氣體

C.A和B可能都是氣體

D. 若B為固體，則A一定為氣體

解析 正反應(yīng)放熱則逆反應(yīng)吸熱，觀察曲線可知，T升高化學(xué)平衡向逆向移動，氣體的Mr減小。由平均摩爾質(zhì)量定義M=m總n總可判斷：T升高，A和B都是固體時，只有1種氣體C，Mr不變；A和B是氣體時，氣體m總不變，n總變大，Mr減小，符合題意，但不是絕對惟一的；當(dāng)B為固體A為氣體時，氣體的n總不變，但m總變小，同樣導(dǎo)致Mr減小，故正確答案為C、D。

8. 由體積分?jǐn)?shù)-溫度（φ-T）圖像判斷平衡進程

例10在容積相同的不同密閉容器內(nèi)，分別充入同量的N2和H2，在不同溫度，任其發(fā)生反應(yīng)N2（g）+3H2（g）2NH3（g），在第7秒時分別測定其中NH3的體積分?jǐn)?shù)φ（NH3），并繪成下圖曲線。

（1）A、B、C、D、E中，尚未達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)的點是。

（2）此反應(yīng)的正反應(yīng)是熱反應(yīng)。

（3）AC段曲線是增函數(shù)曲線，CE段曲線是減函數(shù)曲線，試從化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡角度說明理由為。

（4）T1到T2變化時，V正V逆；T3時，V正V逆T4、T5時，V正V逆。

解析 該曲線表明在相同時刻不同溫度時φ（NH3）的情況，C點是最大點也是轉(zhuǎn)折點，說明C點達(dá)到了化學(xué)平衡狀態(tài)，C點之前的A、B點尚未達(dá)到平衡；C點之后，T升高，φ（NH3）下降，說明正反應(yīng)為放熱反應(yīng)；AC段化學(xué)反應(yīng)尚未平衡，受速率控制，T升高，反應(yīng)速率加快，φ（NH3）增大為增函數(shù)；CE段達(dá)到平衡后受平衡因素控制，T升高，平衡向吸熱的逆向移動，故φ（NH3）下降為減函數(shù)。

T1→T2，V正>V逆；T3時，v正=v逆。T4、T5時，V正=V逆。