2025年高中化學競賽圖像分析題專項訓練（四）一、化學平衡圖像綜合分析（一）量值-時間-溫度圖像的動態(tài)解析在恒溫恒容體系中，反應(yīng)2SO?(g)+O?(g)?2SO?(g)ΔH<0的濃度變化曲線顯示，不同溫度下SO?濃度達到平衡的時間分別為：T?=5min，T?=3min。根據(jù)"先拐先平"原則，T?體系先達到平衡狀態(tài)，說明溫度T?>T?。對比平衡時SO?濃度，T?條件下產(chǎn)物濃度更高，驗證該反應(yīng)為放熱反應(yīng)。當溫度從T?升至T?時，正反應(yīng)速率v正增大倍數(shù)小于逆反應(yīng)速率v逆增大倍數(shù)，導致平衡逆向移動，SO?平衡濃度降低。此類圖像需特別注意：轉(zhuǎn)折點前曲線斜率代表反應(yīng)速率，轉(zhuǎn)折點后水平線高度反映平衡狀態(tài)，溫度變化對速率和平衡的雙重影響需通過Arrhenius方程和勒夏特列原理綜合判斷。（二）復合條件下的平衡移動圖像某合成氨反應(yīng)在不同壓強（p?=1MPa，p?=3MPa）和溫度下的NH?產(chǎn)率圖像呈現(xiàn)"火山型"曲線。在300℃以下，p?曲線始終位于p?上方，表明增大壓強促進平衡正向移動；當溫度超過500℃時，兩條曲線逐漸重合，說明此時溫度成為主導因素。計算400℃時p?條件下的平衡常數(shù)Kp，需根據(jù)圖像讀取NH?體積分數(shù)為25%，通過三段式法求得各組分分壓：p(NH?)=0.25p?，p(N?)=0.1875p?，p(H?)=0.5625p?，代入Kp表達式得Kp=4.74/(p?2)。該題體現(xiàn)了競賽中對"定一議二"原則的深化應(yīng)用，要求考生能從三維圖像中提取壓強、溫度與平衡常數(shù)的定量關(guān)系。二、水溶液離子平衡圖像的深度突破（一）酸堿中和滴定曲線的多元分析用0.1mol/LNaOH滴定20mL0.1mol/LH?PO?的pH曲線中，出現(xiàn)三個明顯突躍點，對應(yīng)pH值分別為4.7、9.8和12.4。通過繪制各型體分布系數(shù)δ-pH圖發(fā)現(xiàn)：在pH=7.2（磷酸二級電離pKa?）時，δ(H?PO??)=0.91，δ(HPO?2?)=0.09，此時溶液中存在質(zhì)子守恒關(guān)系：c(H?)+c(H?PO??)+2c(H?PO?)=c(PO?3?)+c(OH?)。當?shù)渭又?5mLNaOH時，溶液組成為H?PO?-H?PO??緩沖體系，根據(jù)Henderson-Hasselbalch方程計算得pH=pKa?+lg(n(H?PO??)/n(H?PO?))=2.12+lg(1.5/0.5)=2.60，與圖像實測值2.58基本吻合，驗證了理論計算的可靠性。（二）沉淀溶解平衡的雙對數(shù)圖像應(yīng)用25℃時，兩種金屬氫氧化物的-lgc(M??)-pH關(guān)系圖像顯示：曲線X在pH=4時-lgc(M3?)=30.3，曲線Y在pH=8時-lgc(N2?)=15.6。根據(jù)溶度積表達式Ksp[M(OH)?]=c(M3?)·c3(OH?)，將pH=4時c(OH?)=10?1?mol/L代入，得Ksp[M(OH)?]=10?3?.3×(10?1?)3=10???.3≈5.0×10??1；同理計算Ksp[N(OH)?]=10?1?.?×(10??)2=10?2?.?≈2.5×10?2?。當向0.1mol/LM3?溶液滴加NaOH，pH=3.2時開始沉淀（此時c(OH?)=10?1?.?mol/L），完全沉淀（c(M3?)<10??mol/L）需pH>5.0，該過程中-lgc(M3?)與pH呈線性關(guān)系，斜率為3（等于金屬離子電荷數(shù)）。三、電化學與反應(yīng)動力學圖像（一）循環(huán)伏安曲線的電極過程解析某鋰離子電池正極材料LiCoO?的循環(huán)伏安圖在3.8V和4.2V處出現(xiàn)兩對氧化還原峰。正向掃描時，3.8V處的氧化峰對應(yīng)Co3?→Co??的脫鋰過程，峰電流密度為2.5mA/cm2；反向掃描的還原峰位于3.6V，峰面積比氧化峰大12%，表明存在一定的電化學極化。通過計算峰電位差ΔEp=0.2V，結(jié)合Randles-Sevcik方程i?=2.69×10?n^(3/2)AD^(1/2)v^(1/2)c，當掃描速率v=50mV/s時，求得電子轉(zhuǎn)移數(shù)n=1.02，擴散系數(shù)D=1.8×10?1?cm2/s。該類圖像分析需掌握：峰電流與濃度的線性關(guān)系、峰電位與反應(yīng)可逆性的關(guān)聯(lián)、以及循環(huán)過程中的峰形變化對材料穩(wěn)定性的表征。（二）反應(yīng)速率的多因素影響圖像用不同濃度KMnO?與H?C?O?反應(yīng)的動力學曲線顯示：當c(MnO??)=0.01mol/L時，初始速率v?=2.4×10??mol/(L·s)；濃度加倍時v?=9.5×10??mol/(L·s)，表明反應(yīng)對MnO??的反應(yīng)級數(shù)為2級。通過繪制lnv?-lnc(MnO??)關(guān)系圖，其斜率為1.98≈2，截距對應(yīng)H?C?O?的反應(yīng)級數(shù)項。進一步實驗發(fā)現(xiàn)，在60℃時反應(yīng)速率是20℃時的16倍，根據(jù)阿倫尼烏斯公式計算活化能Ea=ln(k?/k?)×R/(1/T?-1/T?)=ln16×8.314/(1/293-1/333)=52.8kJ/mol。該題綜合考查了濃度、溫度對反應(yīng)速率的定量影響，要求考生能從速率曲線中提取初始速率數(shù)據(jù)，并進行動力學參數(shù)計算。四、綜合應(yīng)用題解析（一）工業(yè)流程中的圖像分析某合成氨工廠的工藝優(yōu)化實驗獲得如下數(shù)據(jù)：在30MPa、450℃條件下，NH?平衡產(chǎn)率為18%；當壓強升至50MPa，其他條件不變時產(chǎn)率提高至26%。結(jié)合反應(yīng)N?(g)+3H?(g)?2NH?(g)ΔH=-92.4kJ/mol，分析可知增大壓強使平衡正向移動，但設(shè)備成本增加35%；若改用鐵催化劑，反應(yīng)達到平衡時間縮短至原來的1/4，但產(chǎn)率不變。通過繪制"成本-產(chǎn)率"關(guān)系曲線，發(fā)現(xiàn)40MPa、500℃是兼顧經(jīng)濟效益和反應(yīng)效率的最佳點，此時單位時間內(nèi)NH?產(chǎn)量達最大值。該題體現(xiàn)了競賽對工程實踐的關(guān)注，要求考生能從圖像數(shù)據(jù)中進行工藝條件的優(yōu)化選擇。（二）復雜體系的離子濃度圖像向含有0.01mol/LCu2?和0.01mol/LFe3?的混合溶液中滴加氨水，得到pH與金屬離子濃度的關(guān)系曲線。當pH=3.0時，F(xiàn)e3?濃度降至10??mol/L（已沉淀完全），而Cu2?濃度仍保持0.01mol/L；繼續(xù)滴加氨水至pH=6.5時，Cu2?開始沉淀。計算Fe(OH)?的Ksp=10?3?.?，Cu(OH)?的Ksp=10?1?.?，通過控制pH在4.0~6.0范圍可實現(xiàn)兩種離子的完全分離。圖像中pH=5.0處出現(xiàn)的平臺區(qū)，對應(yīng)NH??-NH?緩沖體系的形成，此時溶液中存在電荷守恒：c(NH??)+c(H?)=2c(Cu2?)+c(OH?)+c(Cl?)。這類題目要求考生能綜合運用沉淀溶解平衡、緩沖溶液理論和三大守恒關(guān)系，對圖像中的特殊點進行定量解析。五、解題策略與易錯點警示（一）圖像分析的"四步法則"坐標解讀：明確橫縱坐標的物理意義及量綱，如濃度-時間圖像中橫軸單位是min還是s，pH-logc圖像中縱軸是否取負對數(shù)。2025年競賽真題曾出現(xiàn)將"反應(yīng)速率"誤標為"反應(yīng)時間"的干擾項，需特別注意坐標軸標題。特征點提取：識別起點（如pH=7時的離子濃度）、轉(zhuǎn)折點（反應(yīng)終點、平衡點）、交點（如兩種離子沉淀曲線的交叉點）的數(shù)值，2024年決賽題中要求根據(jù)滴定曲線的二階導數(shù)極值點確定終點pH。曲線走向分析：判斷斜率變化（如催化劑使活化能降低導致速率曲線斜率增大）、平臺區(qū)意義（如沉淀完全后的離子濃度恒定），注意區(qū)分"漸變"與"突變"對應(yīng)的不同化學過程。定量計算驗證：對關(guān)鍵數(shù)據(jù)進行數(shù)學處理，如通過lgc-pH曲線斜率計算電離常數(shù)，用范特霍夫方程計算不同溫度下的平衡常數(shù)變化。（二）典型錯誤案例剖析在分析"酶催化反應(yīng)速率隨溫度變化"的圖像時，常見錯誤是忽略高溫導致酶失活的不可逆性，誤將曲線下降段當作平衡移動。正確解析應(yīng)區(qū)分：低溫段（0~30℃）符合Arrhenius方程，速率隨溫度升高指數(shù)增加；高溫段（>50℃）蛋白質(zhì)變性導致活性中心破壞，速率急劇下降。另一易錯點是混淆"物質(zhì)的量分數(shù)"與"濃度"圖像，如在恒壓體系中，氣體物質(zhì)的量分數(shù)隨時間變化曲線與濃度曲線的形狀可能完全相反，需根據(jù)pV=nRT進行換算。六、拓展訓練題組（一）選擇題某可逆反應(yīng)A(g)+2B(g)?2C(g)的v-t圖像顯示，t=5s時正反應(yīng)速率突然增大，而逆反應(yīng)速率逐漸增大，可能的原因是（）A.增大A的濃度B.升高溫度C.加入催化劑D.縮小容器體積下列關(guān)于0.1mol/LH?A溶液的pH-logc圖像的說法正確的是（）A.pH=pKa?時，c(H?A)=c(HA?)B.當pH=7時，溶液中c(A2?)一定大于c(HA?)C.圖像中斜率為1的線段對應(yīng)HA?的電離過程D.稀釋溶液會使a點（pH=3.5）沿曲線向上移動（二）計算題已知反應(yīng)CO(g)+H?O(g)?CO?(g)+H?(g)在不同溫度下的K值如下表：|T/℃|700|800|900||------|-----|-----|-----||K|1.67|1.00|0.64|繪制lnK-1/T關(guān)系圖，計算該反應(yīng)的ΔH和ΔS（R=8.314J/(mol·K)）。向20mL0.1mol/LNa?CO?溶液中滴加0.1mol/LHCl，繪制pH變化曲線。計算：（1）當加入10mLHCl時的溶液pH（H?CO?的pKa?=6.38，pKa?=10.25）（2）pH=8.0時溶液中各含碳粒子的濃度分數(shù)（注：完整參考答案及解析可參考2025年《全國高中學生化學競賽實驗指導》附錄部分