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第3课时　化学反应限度的计算　平衡图像分析　
【课标定向】
　　1.能建立化学平衡计算的常见模型,能灵活运用已知量列出“三段式”。(证据推理与模型认知)
　　2.能用图像动态地理解化学平衡的建立过程,理解化学平衡的特点。(宏观辨识与微观探析)
【教学建议】
化学平衡计算常用文字描述、表格和图像三种形式呈现,计算数据往往比较多,关系复杂,厘清所给数据的关系是计算的关键。“三段式”是化学计算时建立数据联系的桥梁,是数据的清晰呈现方式,是化学平衡计算的“万能钥匙”,注意单位统一,注意图像形式呈现时纵横坐标的含义。
【情境导入】
庄稼一枝花,全靠肥当家,而肥料的获取离不开氨。哈伯和同时代的科学家在合成氨这个难题上做出过巨大贡献,投入了巨大的心血。你知道如何计算氮气的转化率吗 如何计算氨气的产率
学习任务一:化学反应限度的计算　重点探究
【思考讨论】
探索:在容积可变的密闭容器中,2 mol N2和8 mol H2在一定条件下发生可逆反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g)生成氨气,达到平衡时,H2的转化率为25%,则平衡时氮气的体积分数是多少
提示:15.4%。
　　　　　　N2(g)+3H2(g)2NH3(g)
起始量(mol) 2 8 0
转化量(mol) 2
平衡量(mol) 6
所以平衡时氮气的体积分数=×100%≈15.4%。
【归纳总结】
“三段式”在化学反应速率和化学平衡计算中的运用
解答有关化学反应速率和化学平衡的计算题时,一般需要写出化学方程式,列出起始量、转化量及平衡量,再根据题设其他条件和定律列方程式求解。
如:
　　　　　　mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g)
起始/mol a b 0 0
转化/mol mx nx px qx
平衡/mol a-mx b-nx px qx
(1)c平(A)= mol·L-1。
(2)α(A)=×100%,α(A)∶α(B)=∶=。
(3)φ(A)=×100%。
(4)=。
注意:①转化量与化学方程式中各物质的化学计量数成比例;②这里a、b可指物质的量、浓度、体积等;③对反应物:平衡时的量=起始的量-转化的量;对生成物:平衡时的量=起始的量+转化的量。另外,差量法、守恒法、极限法也可运用到化学平衡的计算中。
提醒:利用“三段式法”解题时,要注意准确地列出起始量、变化量、平衡量,按题目要求进行计算,同时还要注意单位的统一。
【方法导引】——差量法
依据可逆反应中各物质的初态和终态的体积、物质的量或压强的变化进行计算。差量法在解此类题中是一种常用的方法。如某温度下,在定容密闭容器中发生如下反应:2A(g)2B(g)+ C(g), 若开始时只充入2 mol A气体,达平衡时,混合气体的压强比起始时增大了20%,则平衡时A的体积分数的计算模式:在定容的情况下,气体的压强与物质的量成正比,因此气体的物质的量增多了2 mol×20%=
0.4 mol。
2A(g) 2B(g)+　 C(g)　　 Δn
0.8 mol 0.8 mol 0.4 mol 0.4 mol
【典例引导】
【典例】在容积为2 L的密闭容器中进行如下反应:
A(g)+2B(g)3C(g)+nD(g),开始时A为4 mol,B为6 mol,5 min末达到平衡,此时测得C的物质的量为3 mol,用D表示的化学反应速率v(D)为0.2 mol·L-1·min-1。
计算:
(1)平衡时A的物质的量浓度为1.5 mol·L-1。
答案:(1)1.5 mol·L-1
【解析】(1)
　　　　　　A(g)+2B(g)3C(g)+nD(g)
起始/mol　 4　 6 0
转化/mol　 1　 2　 3
5 min末/mol 3　 4　 3
c(A)== mol·L-1=1.5 mol·L-1。
(2)前5 min内用B表示的化学反应速率v(B)为0.2 mol·L-1·min-1。
答案: (2)0.2 mol·L-1·min-1　
【解析】(2)v(B)===0.2 mol·L-1·min-1。
(3)化学方程式中n值为2。
答案: (3)2　
【解析】(3)根据同一反应中、同一时间段内、各物质的反应速率之比等于化学计量数之比;所以v(B)∶v(D)=0.2 mol·L-1·min-1∶0.2 mol·L-1·min-1=2∶n,n=2。
(4)此反应在四种不同情况下的反应速率分别为
①v(A)=5 mol·L-1·min-1
②v(B)=6 mol·L-1·min-1
③v(C)=4.5 mol·L-1·min-1
④v(D)=8 mol·L-1·min-1
其中反应速率最快的是①(填编号)。
答案: (4)①
【解析】(4)把所有速率都换算成A的反应速率;
①v(A)=5 mol·L-1·min-1
②由v(B)=6 mol·L-1·min-1知,
v(A)=3 mol·L-1·min-1
③由v(C)=4.5 mol·L-1·min-1知,
v(A)=1.5 mol·L-1·min-1
④由v(D)=8 mol·L-1·min-1知,
v(A)=4 mol·L-1·min-1
故选①。
[解题思维]　解答本题的思维流程如下:
提取关键点 (1)容积为2 L; (2)A为4 mol,B为6 mol;C的物质的量为3 mol; (3)用D表示的化学反应速率v(D)为0.2 mol·L-1·min-1
转化知识点 根据C的平衡的量计算A、B的转化量,计算平衡时各物质的物质的量
排除障碍点 无法正确列出三段式,不能应用各物质的物质的量有效计算
[借题发挥]
(1)改变设问:计算达到平衡时A的转化率是多少
提示:平衡时A的转化率=×100%=25%。
(2)改变求解量:平衡时气体的压强是起始压强的多少倍
提示:同温同体积下,气体的压强之比等于物质的量之比,由题意知,平衡时气体的总的物质的量=(3+4+3+2) mol=12 mol,p(平衡)∶p(起始)=n(平衡)∶n(起始)==1.2。
【针对训练】
在一定条件下,将3 mol A和1 mol B两种气体混合于固定容积为2 L的密闭容器中,发生如下反应:3A(g)+B(g)xC(g)+2D(g)。2 min末该反应达到平衡,生成0.8 mol D,并测得C的浓度为0.2 mol·L-1。下列判断错误的是(　　)
A.x=1
B.2 min内A的反应速率为0.3 mol·L-1·min-1
C.B的转化率为50%
D.若混合气体的平均相对分子质量不变,则表明该反应达到平衡状态
【解析】选C。
　　　　　　3A(g)+B(g)xC(g)+2D(g)
起始/mol 3 1 0 0
转化/mol 3a a xa 2a
平衡/mol 3-3a 1-a xa 2a
由题意得:2a=0.8,a=0.4。
A项,=0.2 mol·L-1,x=1;B项,v(A)===0.3 mol·L-1·min-1;C项,α(B)=×100%=40%;D项,由于气体的总物质的量只有在平衡时才保持不变,所以平均相对分子质量不变能说明该反应达到平衡状态。
【补偿训练】已知某条件下,合成氨反应的数据如下:
　　　　　　 　N2(g)+3H2(g)2NH3(g)
起始/mol·L-1 1.0 3.0 　 0.2
2 s末/mol·L-1 0.6 1.8 　 1.0
4 s末/mol·L-1 0.4 1.2 　 1.4
当用氨气浓度的增加来表示该反应的速率时,下列说法中错误的是(　　)
A.2 s末氨气的反应速率为0.4 mol·L-1·s-1
B.前2 s时间内氨气的平均反应速率为0.4 mol·L-1·s-1
C.前4 s时间内氨气的平均反应速率为0.3 mol·L-1·s-1
D.2~4 s时间内氨气的平均反应速率为0.2 mol·L-1·s-1
【解析】选A。化学反应速率表示单位时间内反应物或生成物浓度的变化,v=,根据氨气在化学反应中的时间和浓度变化计算出各时间段的平均反应速率,注意反应速率是一段时间内的平均数值,不能计算出具体某一时刻的反应速率。A.无法计算2 s末氨气的反应速率,只能计算某一时间段的平均反应速率,故A错误;B.前2 s时间内氨气的浓度变化为(1.0-0.2)mol·L-1=0.8 mol·L-1,氨气的平均反应速率为=0.4 mol·L-1·s-1,故B正确;C.前4 s时间内氨气的浓度变化为(1.4-0.2)mol·L-1=1.2 mol·L-1,平均反应速率为=0.3 mol·L-1·s-1,故C正确;D.2~4 s时间内氨气的浓度变化为(1.4-1.0)mol·L-1=0.4 mol·L-1,平均反应速率为=0.2 mol·L-1·s-1,故D正确。
学习任务二:平衡图像分析　实践应用
【思考讨论】
1.思考:Zn与足量盐酸反应时,化学反应速率随着时间进行一定减慢吗 为什么
提示:反应开始时,反应放热,化学反应速率加快,随着反应进行,溶液浓度减小,化学反应速率减慢。
2.探索:如图所示是425 ℃时,在1 L密闭容器中发生化学反应的浓度随时间的变化示意图。
(1)图①中t0时,反应达到平衡状态吗
提示:图①中t0时,H2、I2、HI的物质的量浓度相等但未保持不变,没有达到平衡状态。
(2)图①②中当c(HI)=3.16 mol·L-1时,反应达到平衡状态吗
提示:浓度不变,均为平衡状态。
【归纳总结】
一、常见的图像
1.全程速率—时间图像
如:向绝热恒容密闭容器中通入SO2和NO2,一定条件下使反应SO2(g)+NO2(g)SO3(g)+NO(g)达到平衡,常见图像如图及涉及问题如下:
(1)最高点是否达到平衡点的判断:化学平衡状态的标志是各物质的浓度不再改变,其实质是正反应速率等于逆反应速率,c点对应的正反应速率显然还在改变,一定未达平衡。
(2)最低点到最高点反应物浓度的变化:a到c时正反应速率增加,反应物浓度随时间不断减小。
(3)相同时间段内反应物的转化率的变化:随着反应的进行,正反应速率越快,消耗的二氧化硫就越多,SO2的转化率将逐渐增大,故Δt1=Δt2时,SO2的转化率:a~b段小于b~c段。
2.物质的量(或浓度)—时间图像
如:某温度时,在定容(V L)容器中,X、Y、Z三种物质的物质的量随时间的变化曲线如图所示。
(1)由图像得出的信息
①X、Y是反应物,Z是产物。
②t3 s时反应达到平衡状态,X、Y并没有全部反应,该反应是可逆反应。
③0~t3 s时间段:Δn(X)=(n1-n3)mol,Δn(Y)=(n2-n3)mol,Δn(Z)=n2 mol。
(2)根据图像可进行如下计算
①某物质的平均速率、转化率,如
v(X)= mol·L-1·s-1;
Y的转化率=×100%。
②确定化学方程式中的化学计量数之比,如X、Y、Z三种物质的化学计量数之比为(n1-n3)∶(n2-n3)∶n2。
二、图像分析法
1.看图像
(1)看面,弄清楚横、纵坐标所表示的含义;
(2)看线,弄清楚线的走向和变化趋势;
(3)看点,弄清楚曲线上点的含义,特别是曲线上的折点、交点、最高点、最低点等特殊点;
(4)看辅助线,作横轴或纵轴的垂直线(如等温线、等压线、平衡线等);
(5)看量的变化,弄清楚是物质的量的变化、浓度的变化,还是转化率的变化。
2.想规律
如各物质的转化量之比与化学计量数之比的关系、各物质的化学反应速率之比与化学计量数之比的关系。
【典例引导】
【典例】180 ℃时将0.5 mol H2和1 mol CO2通入1 L的恒容密闭容器中,反应生成甲醇蒸气(CH3OH)和某无机副产物,测得各物质的物质的量随时间的部分变化如图所示,下列说法中错误的是(　　)
A.该反应的化学方程式:CO2+3H2CH3OH+H2O
B.在0~3 min内H2的平均化学反应速率为0.1 mol·L-1·min-1
C.当容器内混合气体密度不再变化时,表明反应已经达到平衡状态
D.在3~10 min内,反应达到平衡状态
[解题思维]　解答本题的思维流程如下:
提取关键点 (1)0.5 mol H2和1 mol CO2通入1 L的恒容密闭容器; (2)各物质的物质的量
转化知识点 (1)注意体积为1 L尽管对数据计算无影响,但单位有影响,不可忽视; (2)根据纵坐标CH3OH的量不变可知10 min时已经为平衡状态
排除障碍点 根据图像纵横坐标的含义,正确判断平衡状态及量的变化
【解析】选C。由题图知,消耗n(CO2)=(1-0.9) mol=0.1 mol,n(H2)=(0.5-0.2) mol=
0.3 mol、n(CH3OH)=0.1 mol,同一反应中参加反应的各物质的物质的量之比等于化学计量数之比,则n(CO2)∶n(H2)∶n(CH3OH)=0.1 mol∶0.3 mol∶0.1 mol=
1∶3∶1,根据原子守恒知,还生成H2O,所以反应的化学方程式为CO2+3H2CH3OH+H2O,故A正确;v(H2)===0.1 mol·L-1·min-1,故B正确;反应前后气体总质量不变、容器体积不变,则反应前后气体密度始终不变,所以气体密度不能作为平衡状态判断标准,故C错误;在3 min 时各物质物质的量不变,反应达到平衡状态,故D正确。
[借题发挥]
(1)改变条件:若容器体积改为2 L,则在0~3 min内H2的平均化学反应速率是多少
提示:v(H2)===0.05 mol·L-1·min-1。
(2)改变求解量:求以上情况下0~3 min CO2和H2的转化率各是多少
提示:H2和CO2的转化率分别为×100%=60%;×100%=10%。
(3)改变设问:若使CO2和H2的转化率相同,则CO2和H2的投料比是多少
提示:因CO2和H2按化学计量数之比1∶3消耗,故CO2和H2只有按物质的量之比1∶3投料,转化率才相同。
【针对训练】
1.NH3是具有刺激性气味的气体,密度比空气小,易液化成液氨,且它极易溶于水形成氨水,工业上常用氨气制备硝酸。在2.0 L恒温恒容密闭容器中充入2.0 mol N2和6.0 mol H2,加入催化剂发生反应:N2(g)+3H2(g)2NH3(g),N2、H2的物质的量随时间的变化如图所示。下列有关说法正确的是(　　)
A.t1 min时,N2的生成速率等于N2的消耗速率
B.反应达到平衡时N2的转化率为40%
C.0~t2 min内,v(NH3)= mol·L-1·min-1
D.反应中通入足量的N2,可使H2完全转化为NH3
【解析】选B。t1 min时,反应未达到平衡,N2的生成速率不等于N2的消耗速率,A错误;由图可知,反应达到平衡时H2的转化率为×100%=40%,故N2的转化率也为40%,B正确;根据B可知,平衡时N2的转化率为40%,即0~t2 min内,N2的变化量为0.8 mol,NH3的变化量为1.6 mol,故v(NH3)== mol·L-1·min-1,C错误;该反应为可逆反应,反应中通入足量的N2,H2不可能完全转化为NH3,D错误。
2.一定温度下,将1 mol M和4 mol X置于1 L 的恒容密闭反应器中发生反应:M(g)+3X(g)2Q(g)+aR(g),Q、R物质的量浓度与反应时间的关系如图。下列叙述正确的是(　　)
A.a=2
B.达到反应限度时M的浓度为0.4 mol·L-1
C.达到反应限度时消耗1.6 mol X
D.前2 min平均反应速率:v(X)=0.6 mol·L-1·min-1
【解析】选D。根据题图中Q和R的浓度变化为2∶1,根据化学计量数之比等于浓度变化之比,故a=1,故A错误;平衡时Q生成了0.8 mol·L-1,则M反应了
0.4 mol·L-1,则M剩余的浓度为1 mol·L-1-0.4 mol·L-1=0.6 mol·L-1,故B错误;平衡时Q生成了0.8 mol·L-1,则X反应了1.2 mol·L-1,体积为1 L,故消耗1.2 mol X,故C错误;前2 min平均反应速率:v(X)==0.6 mol·L-1·min-1,故D正确。
学情检测·素养达标
1.在T ℃,将1 mol N2和3 mol H2充入体积为1 L的密闭容器中发生反应,一段时间后达到平衡。在相同温度下,测得容器压强是反应前的0.9倍。则N2的转化率为(　　)
A.15%　　B.20%　　C.25%　　D.30%
【解析】选B。设N2的转化率为x,根据“三段式法”分析:
　　　　　　N2　+　3H22NH3
开始/mol 1 3 0
转化/mol x 3x 2x
平衡/mol 1-x 3-3x 2x
平衡时压强是反应前的0.9倍,则
=0.9,x=0.2,N2的转化率为20%,B项正确。
2.(2024·江苏连云港高一统考期中)一定条件下,等物质的量的N2和O2在容积为4 L的恒容密闭容器中发生如下反应:N2(g)+O2(g)2NO(g),如图表示该反应过程中N2的物质的量随反应时间的变化。下列叙述正确的是(　　)
A.当反应达到平衡时,O2的转化率为60%
B.10 s内反应的平均速率为v(N2)=0.1 mol·L-1·s-1
C.10 s末NO的物质的量浓度为1 mol·L-1
D.a点对应的化学反应速率:v正(N2)=v逆(NO)
【解析】选A。根据图示,当反应达到平衡时,氮气的物质的量由5 mol变为
2 mol,N2和O2的投料相等,则O2的转化率为×100%=60%,故A正确;10 s内氮气的物质的量由5 mol变为4 mol,反应的平均速率为v(N2)==0.025 mol·L-1·s-1,故B错误; 10 s内消耗1 mol氮气,10 s末NO的物质的量是2 mol,NO的浓度为=0.5 mol·L-1,故C错误;a点反应达到平衡状态,正、逆反应速率比等于化学计量数之比,对应的化学反应速率:2v正(N2)=v逆(NO),故D错误。
3.向体积为2 L的密闭容器中加入2 mol SO2和1 mol O2,进行可逆反应:2SO2+O22SO3,反应2 min后,测得O2的物质的量为0.8 mol。
(1)2 min内,SO2的物质的量减少了　　　　,SO3的物质的量增加了　　　　　　　。
答案:(1)0.4 mol　0.4 mol
【解析】　　2SO2+O22SO3
n(初) 2 1 0
Δn 0.4 0.2 0.4
n(2 min) 1.6 0.8 0.4
(1)Δn(SO3)=Δn(SO2)=2Δn(O2)=(1 mol-0.8 mol)×2=0.4 mol。
(2)若用O2的浓度变化来表示该反应的反应速率,则v(O2)=　　　　　　　　。
答案: (2)0.05 mol·L-1·min-1
【解析】(2)v(O2)==0.05 mol·L-1·min-1。第3课时　化学反应限度的计算　平衡图像分析　
【课标定向】
　　1.能建立化学平衡计算的常见模型,能灵活运用已知量列出“三段式”。(证据推理与模型认知)
　　2.能用图像动态地理解化学平衡的建立过程,理解化学平衡的特点。(宏观辨识与微观探析)
【教学建议】
化学平衡计算常用文字描述、表格和图像三种形式呈现,计算数据往往比较多,关系复杂,厘清所给数据的关系是计算的关键。“三段式”是化学计算时建立数据联系的桥梁,是数据的清晰呈现方式,是化学平衡计算的“万能钥匙”,注意单位统一,注意图像形式呈现时纵横坐标的含义。
【情境导入】
庄稼一枝花,全靠肥当家,而肥料的获取离不开氨。哈伯和同时代的科学家在合成氨这个难题上做出过巨大贡献,投入了巨大的心血。你知道如何计算氮气的转化率吗 如何计算氨气的产率
学习任务一:化学反应限度的计算　重点探究
【思考讨论】
探索:在容积可变的密闭容器中,2 mol N2和8 mol H2在一定条件下发生可逆反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g)生成氨气,达到平衡时,H2的转化率为25%,则平衡时氮气的体积分数是多少
【归纳总结】
“三段式”在化学反应速率和化学平衡计算中的运用
解答有关化学反应速率和化学平衡的计算题时,一般需要写出化学方程式,列出起始量、转化量及平衡量,再根据题设其他条件和定律列方程式求解。
如:
　　　　　　mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g)
起始/mol a b 0 0
转化/mol mx nx px qx
平衡/mol a-mx b-nx px qx
(1)c平( )= mol·L-1。
(2)α( )=×100%,α( )∶α( )=∶=。
(3)φ( )=×100%。
(4)=。
注意:①转化量与化学方程式中各物质的化学计量数成比例;②这里a、b可指物质的量、浓度、体积等;③对反应物:平衡时的量=起始的量-转化的量;对生成物:平衡时的量=起始的量+转化的量。另外,差量法、守恒法、极限法也可运用到化学平衡的计算中。
提醒:利用“三段式法”解题时,要注意准确地列出起始量、变化量、平衡量,按题目要求进行计算,同时还要注意单位的统一。
【方法导引】——差量法
依据可逆反应中各物质的初态和终态的体积、物质的量或压强的变化进行计算。差量法在解此类题中是一种常用的方法。如某温度下,在定容密闭容器中发生如下反应:2A(g)2B(g)+ C(g), 若开始时只充入2 mol A气体,达平衡时,混合气体的压强比起始时增大了20%,则平衡时A的体积分数的计算模式:在定容的情况下,气体的压强与物质的量成正比,因此气体的物质的量增多了2 mol×20%=
0.4 mol。
2A(g) 2B(g)+　 C(g)　　 Δn
0.8 mol 0.8 mol 0.4 mol 0.4 mol
【典例引导】
【典例】在容积为2 L的密闭容器中进行如下反应:
A(g)+2B(g)3C(g)+nD(g),开始时A为4 mol,B为6 mol,5 min末达到平衡,此时测得C的物质的量为3 mol,用D表示的化学反应速率v( A )为0.2 mol·L-1·min-1。
计算:
(1)平衡时A的物质的量浓度为 。
(2)前5 min内用B表示的化学反应速率v( A )为 。
(3)化学方程式中n值为 。
(4)此反应在四种不同情况下的反应速率分别为
①v( A)=5 mol·L-1·min-1
②v(B )=6 mol·L-1·min-1
③v( C )=4.5 mol·L-1·min-1
④v( D )=8 mol·L-1·min-1
其中反应速率最快的是 (填编号)。
[解题思维]　解答本题的思维流程如下:
提取关键点 (1)容积为2 L; (2)A为4 mol,B为6 mol;C的物质的量为3 mol; (3)用D表示的化学反应速率v( )为0.2 mol·L-1·min-1
转化知识点 根据C的平衡的量计算A、B的转化量,计算平衡时各物质的物质的量
排除障碍点 无法正确列出三段式,不能应用各物质的物质的量有效计算
[借题发挥]
(1)改变设问:计算达到平衡时A的转化率是多少
(2)改变求解量:平衡时气体的压强是起始压强的多少倍
【针对训练】
在一定条件下,将3 mol A和1 mol B两种气体混合于固定容积为2 L的密闭容器中,发生如下反应:3A(g)+B(g)xC(g)+2D(g)。2 min末该反应达到平衡,生成0.8 mol D,并测得C的浓度为0.2 mol·L-1。下列判断错误的是(　　)
A.x=1
B.2 min内A的反应速率为0.3 mol·L-1·min-1
C.B的转化率为50%
D.若混合气体的平均相对分子质量不变,则表明该反应达到平衡状态
【补偿训练】已知某条件下,合成氨反应的数据如下:
　　　　　　 　N2(g)+3H2(g)2NH3(g)
起始/mol·L-1 1.0 3.0 　 0.2
2 s末/mol·L-1 0.6 1.8 　 1.0
4 s末/mol·L-1 0.4 1.2 　 1.4
当用氨气浓度的增加来表示该反应的速率时,下列说法中错误的是(　　)
A.2 s末氨气的反应速率为0.4 mol·L-1·s-1
B.前2 s时间内氨气的平均反应速率为0.4 mol·L-1·s-1
C.前4 s时间内氨气的平均反应速率为0.3 mol·L-1·s-1
D.2~4 s时间内氨气的平均反应速率为0.2 mol·L-1·s-1
学习任务二:平衡图像分析　实践应用
【思考讨论】
1.思考:Zn与足量盐酸反应时,化学反应速率随着时间进行一定减慢吗 为什么
2.探索:如图所示是425 ℃时,在1 L密闭容器中发生化学反应的浓度随时间的变化示意图。
(1)图①中t0时,反应达到平衡状态吗
(2)图①②中当c(HI)=3.16 mol·L-1时,反应达到平衡状态吗
【归纳总结】
一、常见的图像
1.全程速率—时间图像
如:向绝热恒容密闭容器中通入SO2和NO2,一定条件下使反应SO2(g)+NO2(g)SO3(g)+NO(g)达到平衡,常见图像如图及涉及问题如下:
(1)最高点是否达到平衡点的判断:化学平衡状态的标志是各物质的浓度不再改变,其实质是正反应速率等于逆反应速率,c点对应的正反应速率显然还在改变,一定未达平衡。
(2)最低点到最高点反应物浓度的变化:a到c时正反应速率增加,反应物浓度随时间不断减小。
(3)相同时间段内反应物的转化率的变化:随着反应的进行,正反应速率越快,消耗的二氧化硫就越多,SO2的转化率将逐渐增大,故Δt1=Δt2时,SO2的转化率:a~b段小于b~c段。
2.物质的量(或浓度)—时间图像
如:某温度时,在定容(V L)容器中,X、Y、Z三种物质的物质的量随时间的变化曲线如图所示。
(1)由图像得出的信息
①X、Y是反应物,Z是产物。
②t3 s时反应达到平衡状态,X、Y并没有全部反应,该反应是可逆反应。
③0~t3 s时间段:Δn(X)=(n1-n3)mol,Δn(Y)=(n2-n3)mol,Δn(Z)=n2 mol。
(2)根据图像可进行如下计算
①某物质的平均速率、转化率,如
v(X)= mol·L-1·s-1;
Y的转化率=×100%。
②确定化学方程式中的化学计量数之比,如X、Y、Z三种物质的化学计量数之比为(n1-n3)∶(n2-n3)∶n2。
二、图像分析法
1.看图像
(1)看面,弄清楚横、纵坐标所表示的含义;
(2)看线,弄清楚线的走向和变化趋势;
(3)看点,弄清楚曲线上点的含义,特别是曲线上的折点、交点、最高点、最低点等特殊点;
(4)看辅助线,作横轴或纵轴的垂直线(如等温线、等压线、平衡线等);
(5)看量的变化,弄清楚是物质的量的变化、浓度的变化,还是转化率的变化。
2.想规律
如各物质的转化量之比与化学计量数之比的关系、各物质的化学反应速率之比与化学计量数之比的关系。
【典例引导】
【典例】180 ℃时将0.5 mol H2和1 mol CO2通入1 L的恒容密闭容器中,反应生成甲醇蒸气(CH3OH)和某无机副产物,测得各物质的物质的量随时间的部分变化如图所示,下列说法中错误的是(　　)
A.该反应的化学方程式:CO2+3H2CH3OH+H2O
B.在0~3 min内H2的平均化学反应速率为0.1 mol·L-1·min-1
C.当容器内混合气体密度不再变化时,表明反应已经达到平衡状态
D.在3~10 min内,反应达到平衡状态
[解题思维]　解答本题的思维流程如下:
提取关键点 (1)0.5 mol H2和1 mol CO2通入1 L的恒容密闭容器; (2)各物质的物质的量
转化知识点 (1)注意体积为1 L尽管对数据计算无影响,但单位有影响,不可忽视; (2)根据纵坐标CH3OH的量不变可知10 min时已经为平衡状态
排除障碍点 根据图像纵横坐标的含义,正确判断平衡状态及量的变化
[借题发挥]
(1)改变条件:若容器体积改为2 L,则在0~3 min内H2的平均化学反应速率是多少
(2)改变求解量:求以上情况下0~3 min CO2和H2的转化率各是多少
(3)改变设问:若使CO2和H2的转化率相同,则CO2和H2的投料比是多少
【针对训练】
1.NH3是具有刺激性气味的气体,密度比空气小,易液化成液氨,且它极易溶于水形成氨水,工业上常用氨气制备硝酸。在2.0 L恒温恒容密闭容器中充入2.0 mol N2和6.0 mol H2,加入催化剂发生反应:N2(g)+3H2(g)2NH3(g),N2、H2的物质的量随时间的变化如图所示。下列有关说法正确的是(　　)
A.t1 min时,N2的生成速率等于N2的消耗速率
B.反应达到平衡时N2的转化率为40%
C.0~t2 min内,v(NH3)= mol·L-1·min-1
D.反应中通入足量的N2,可使H2完全转化为NH3
2.一定温度下,将1 mol M和4 mol X置于1 L 的恒容密闭反应器中发生反应:M(g)+3X(g)2Q(g)+aR(g),Q、R物质的量浓度与反应时间的关系如图。下列叙述正确的是(　　)
A.a=2
B.达到反应限度时M的浓度为0.4 mol·L-1
C.达到反应限度时消耗1.6 mol X
D.前2 min平均反应速率:v(X)=0.6 mol·L-1·min-1
学情检测·素养达标
1.在T ℃,将1 mol N2和3 mol H2充入体积为1 L的密闭容器中发生反应,一段时间后达到平衡。在相同温度下,测得容器压强是反应前的0.9倍。则N2的转化率为(　　)
A.15%　　B.20%　　C.25%　　D.30%
2.(2024·江苏连云港高一统考期中)一定条件下,等物质的量的N2和O2在容积为4 L的恒容密闭容器中发生如下反应:N2(g)+O2(g)2NO(g),如图表示该反应过程中N2的物质的量随反应时间的变化。下列叙述正确的是(　　)
A.当反应达到平衡时,O2的转化率为60%
B.10 s内反应的平均速率为v(N2)=0.1 mol·L-1·s-1
C.10 s末NO的物质的量浓度为1 mol·L-1
D.a点对应的化学反应速率:v正(N2)=v逆(NO)
3.向体积为2 L的密闭容器中加入2 mol SO2和1 mol O2,进行可逆反应:2SO2+O22SO3,反应2 min后,测得O2的物质的量为0.8 mol。
(1)2 min内,SO2的物质的量减少了 ,SO3的物质的量增加了 。
(2)若用O2的浓度变化来表示该反应的反应速率,则v(O2)= 。

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