基于化工生產(chǎn)實際的轉化率的復習研究

河北 韓萬中

化學學科的重要價值在于人們可以根據(jù)化學反應原理控制和利用化學反應，通過化工技術和手段獲取人類生活和生產(chǎn)所需要的能量和物質。主要反應物的轉化率大小是化工生產(chǎn)的一種目標追求，是衡量化工生產(chǎn)效率的重要評價指標。高中化學反應原理模塊的課程結構表明，轉化率是建立在限度和速率基礎上的高級概念，具有真實的客觀存在和應用，具有特定的認識角度、認識路徑、推理判斷，有利于學生構建認知模型和經(jīng)驗圖示，有利于促進知識的結構化、功能化，具有良好的素養(yǎng)發(fā)展價值。

在高三復習化學反應原理模塊中發(fā)現(xiàn)，轉化率的考查多以化工生產(chǎn)的真實原理和過程為背景，利用文字、曲線、表格等形式，考查學生獲取、整合和應用信息的能力，分析和解決化學問題的能力，但涉及轉化率(或產(chǎn)率)-溫度問題，因其多變量、多反應、多方向表征，能力要求較高，學生得分率普遍較低。因此，教師通過創(chuàng)設問題情景，搭建思維支架，幫助學生剖析轉化率的變化規(guī)律，破解異常，回歸到基本的反應原理上，培養(yǎng)學生的“變化觀念和平衡思想”“證據(jù)推理與模型認知”素養(yǎng)，進而得出解決問題的思維抽象模型。

一、學生應有的對轉化率的基本認識思路

人教版教材正文中有關轉化率的敘述出現(xiàn)了2次。其中《必修2》指出“化學反應的限度決定了反應物在該條件下的最大轉化率”，說明了平衡轉化率可以表示一定溫度下某反應的限度；“在生產(chǎn)和生活中，人們希望促進有利的化學反應(提高反應物的轉化率即原料的利用率，加快反應速率等)……”，說明了轉化率是可以調控的，可以使反應朝著符合人們預期的方向進行，體現(xiàn)條件控制的魅力。

《選修4》指出“K值越大，說明平衡體系中生成物所占的比例越大……即該反應進行得越完全，反應物轉化率越大”。在這里必須指出來，這個說法是有條件的，教師可啟發(fā)學生從課本給出的例題進行拓展和推理：

起始濃度/mol·L-1ab0 0

變化濃度/mol·L-1xxxx

平衡濃度/mol·L-1a-xb-xxx

從上述計算過程可以看出：對于某一特定反應，根據(jù)一定溫度下的平衡常數(shù)計算該條件下反應物的平衡轉化率，還需要起始態(tài)的反應物濃度，且轉化率隨反應物濃度的不同而改變。至此，教師可以再搭建逆向思維平臺：對于某反應，其反應物的平衡轉化率越大，反應的平衡常數(shù)越大嗎？學生會領悟到溫度不變時，反應物起始濃度不同，轉化率不同，但平衡常數(shù)相等，即在一定溫度下，化學平衡常數(shù)是一個定值，但認為平衡轉化率也是一個定值就是錯誤的?；瘜W平衡常數(shù)與反應平衡轉化率雖然均可表示化學反應的限度，但二者并非嚴格意義的正相關，平衡常數(shù)只是溫度函數(shù)，平衡轉化率可受投料配比、溫度、壓強等多種因素影響。

【例1】(2019·全國卷Ⅱ·28節(jié)選)近年來，隨著聚酯工業(yè)的快速發(fā)展，氯氣的需求量和氯化氫的產(chǎn)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?；卮鹣铝袉栴}：

圖1

可知反應平衡常數(shù)K(300℃)________(填“大于”或“小于”)K(400℃)。設HCl初始濃度為c0，根據(jù)進料濃度比c(HCl)∶c(O2)=1∶1的數(shù)據(jù)計算K(400℃)=________________________(列出計算式)。按化學計量比進料可以保持反應物高轉化率，同時降低產(chǎn)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_________________

【解析】三條曲線均為平衡轉化率-溫度的單調減函數(shù)，說明升高溫度，平衡轉化率降低，即反應物減少，平衡向逆反應方向移動，根據(jù)勒夏特列原理ΔH<0，所以K(300℃)大于K(400℃)。對于兩種反應物參加的反應，在其他條件不變時，增加一種反應物的濃度可提高另一種反應物的轉化率。本例題中降低進料濃度比c(HCl)∶c(O2)，HCl的平衡轉化率增大，因此曲線Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ對應的進料c(HCl)∶c(O2)分別是1∶1、4∶1、7∶1。結合圖1相關數(shù)據(jù)，列出三段式求解即可。

二、指導學生區(qū)分有關轉化率的兩種情況

對于放熱反應，升高反應溫度，平衡向著逆反應方向移動，故而反應物的轉化率下降，正如例1中的轉化率-溫度曲線趨勢；相反，對于吸熱反應，升高反應溫度，平衡向著正反應方向移動，反應物的轉化率上升，學生對分析這一類問題的思維模型建立較好。此處的轉化率指的是平衡轉化率，由于很多反應到達平衡需要較長的時間，因此，實際生產(chǎn)中往往使用的是建立平衡過程中的某時段的轉化率，而非極限狀態(tài)的平衡轉化率，這一點在復習和?？紩r是很多學生忽視的，也是教師評講試題時學生普遍存在認知障礙的地方。

圖2 不同溫度下NO的轉化率

【答案】<

【解析】判斷反應熱時，學生難以理解的是：在曲線增函數(shù)部分，由升高溫度轉化率增大得出正反應吸熱的結論；在減函數(shù)部分，由升高溫度轉化率減小得出正反應放熱的結論。學生都知道沒有那一個反應既是放熱反應又是吸熱反應的，所以認知發(fā)生沖突。至此，教師可帶領他們審讀題干，咬文嚼字，尋找題眼，這時很多學生會發(fā)現(xiàn)“相同時間”這個關鍵詞。“相同時間”里有什么秘密呢？在坐標系中，x軸是溫度，y軸是NO轉化率，曲線前半段由于溫度較低，反應速率小，在“相同時間”內反應尚未達到平衡狀態(tài)，因此，升高反應溫度，速率增大，NO轉化率呈上升型變化，注意這個轉化率不是對應溫度下的平衡轉化率，而是某時段的轉化率；曲線后半段，則因溫度較高，反應速率較大，在“相同時間”內反應達到平衡狀態(tài)，甚至還余有發(fā)生平衡移動的時間，NO的轉化率是對應溫度下的平衡轉化率，下一步怎樣判斷反應熱，其思維方式與例1類似。

由于人教版《選修4》通本沒有提及平衡前某時段的轉化率一詞，因而學生一遇到轉化率就“默認”為是平衡轉化率，給分析轉化率-溫度相關問題帶來困惑和糾結。本題的分析和解答了學生平衡轉化率與轉化率是兩個不同的概念，要善于識別區(qū)分。

對于例2圖中各點，如果保持反應溫度不變，延長反應時間至達到平衡，其平衡轉化率情況如圖3中的虛線所示。

圖3 虛線表示平衡轉化率隨溫度的變化關系

觀察圖3，若虛線表示相同條件下平衡轉化率隨溫度的變化關系，那么例2中相同溫度下實線與虛線的差別就是反應時間。延長反應時間能夠提高NO轉化率，但很多化學反應達到化學平衡都需要相當長的時間，因此在實際的生產(chǎn)中，工程師并不單純地追求平衡轉化率，而是統(tǒng)籌考慮限度和反應速率，以期得到單位時間的最大產(chǎn)量。比如像ΔH<0的化學反應，溫度對其平衡轉化率與速率的影響不一致，怎樣在恒壓、相同投料、催化相同時間的前提下，通過控制溫度變量測定轉化率，從而確定最佳溫度，正是例2實驗研究的實際意義所在。

催化劑是現(xiàn)代化學中關鍵而神奇的物質之一。例2中的化學反應也使用了催化劑，學生在觀察分析例2中曲線時，對催化劑與轉化率間的關系理解存在誤區(qū)。一部分學生認為，因為催化劑同倍率改變正、逆反應速率，不能使平衡移動，所以不能改變轉化率。另一部分學生則認為化學反應從開始到平衡的建立需要一定的時間，使用催化劑縮短到達平衡的時間，單位時間內轉化反應物的物質的量(或物質的量濃度)是增大的，所以使用催化劑可以增大轉化率。這兩類同學說的都有正確的方面。催化劑加快反應速率的原因是改變了反應路徑，不改變反應方向和限度，所以不改變平衡轉化率，此類同學分析中沒有強調平衡轉化率。但在建立平衡過程中使用催化劑則能提高相同反應時間段的轉化率，這里的轉化率不是平衡轉化率，此類同學分析中的轉化率應當是非平衡時的轉化率。

化工生產(chǎn)追求生產(chǎn)效率，往往更加側重以催化劑為主導的速率，并且催化劑的活性受溫度影響很大，因此生產(chǎn)中的選擇的實際轉化率可能不是該溫度下的平衡轉化率。平衡轉化率與實際轉化率的差距，就是理想狀態(tài)與反應實際操作水平的差距，二者產(chǎn)值越大，說明操作水平越低，增產(chǎn)潛力越大。

教學時，教師可以通過創(chuàng)設問題情景，引導學生建構可逆反應在平衡建立過程中的轉化率變化的思維模型，深化理解優(yōu)化反應條件的意義增強了工業(yè)生產(chǎn)的時間及效率觀念，學生能夠理解化學反應條件優(yōu)化的意義，真正區(qū)分平衡轉化率和轉化率這兩個概念。

三、認識轉化率與產(chǎn)率的不同

《高中化學課程標準(2017年版)》特別強調“創(chuàng)設真實且富有價值的問題情景，促進學生化學學科素養(yǎng)的形成和發(fā)展”，要“將核心概念與情景、活動和問題解決融為一體”。基于此，近幾年高考真題、模擬試題中情景式題目增多，其中不乏一些化工實際的新概念或陌生術語，常給學生審題過程中引起困惑，如平衡產(chǎn)率與平衡轉化率有何區(qū)別，同時，由于化工原理非常復雜，常存在平行反應、連串反應等，造成轉化率與產(chǎn)率的不一致，轉化率高但產(chǎn)率不一定高，這類問題的分析和解決對學生能力和素養(yǎng)的要求更高。

【例3】(2017·全國卷Ⅱ·27改編)丁烯是一種重要的化工原料，可由丁烷催化脫氫制備，回答下列問題：

圖4 產(chǎn)率與溫度關系圖

丁烯產(chǎn)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(chǎn)率快速降低的主要原因可能是_________________

【答案】590℃之前，升高溫度，使反應向正反應方向進行，丁烯產(chǎn)量增多；或溫度升高，反應速率加快，單位時間產(chǎn)生丁烯更多

590℃之后，丁烯裂解生成短碳鏈烴類的速率加快，使副產(chǎn)物增多

【解析】本題可謂例2的姊妹篇。例2中的化學反應為放熱反應，轉化率-溫度曲線呈現(xiàn)先升后降趨勢，其中平衡轉化率-溫度曲線為下降型；本題中的丁烷催化脫氫是一個正反應吸熱的反應，如果討論轉化率與溫度的關系，則轉化率及平衡轉化率均隨溫度的變化呈上升型。然而，本題圖象給出的則是產(chǎn)率-溫度曲線，很多學生會想產(chǎn)率與轉化率能畫等號嗎？

本題中，丁烯產(chǎn)率在590℃之前隨溫度升高而增大，從平衡的角度出發(fā)，反應吸熱，升高溫度平衡向正反應方向移動，因此產(chǎn)率升高，與平衡轉化率增大基本一致；從速率的角度出發(fā)，升高溫度化學反應速率加快，單位時間內生成的丁烯增多，產(chǎn)率增大，與轉化率基本一致。590℃之后，丁烯產(chǎn)率快速降低，用平衡移動無法解釋，結合圖象信息和題干文字敘述可以發(fā)現(xiàn)丁烯高溫裂解生成短碳鏈烴是產(chǎn)率降低的主要原因。需要指出的是，在沒有其他信息的情況下，升高溫度使催化劑活性降低，也是一個可能的原因。

【例4】(2019·江蘇卷·20節(jié)選)CO2催化加氫合成二甲醚是一種CO2轉化方法，其過程中主要發(fā)生下列反應：

圖5 CO2平衡轉化率和平衡時CH3OCH3的選擇性隨溫度的變化

(1)溫度高于300℃，CO2平衡轉化率隨溫度升高而上升的原因是_________________

(2)220℃時，在催化劑作用下CO2與H2反應一段時間后，測得CH3OCH3的選擇性為48%(圖中A點)。不改變反應時間和溫度，一定能提高CH3OCH3選擇性的措施有_________________

【答案】(1)反應Ⅰ的ΔH>0，反應Ⅱ的ΔH<0，溫度升高使CO2轉化為CO的平衡轉化率上升，使CO2轉化為CH3OCH3的平衡轉化率下降，且上升幅度超過下降幅度

(2)增大壓強，使用對反應Ⅱ催化活性更高的催化劑

總之，平衡轉化率常定量表示化學反應的限度，但受催化劑的活性溫度、副反應發(fā)生等因素限制，工業(yè)設計時并不無限延長反應時間來追求平衡轉化率，而以催化劑"提速"和保證高選擇性為雙重前提的非平衡態(tài)的轉化率更有實際意義，這是分析實際生產(chǎn)中的相關轉化率問題的基本認知模型。核心素養(yǎng)是在真實任務情境中借助實際問題的分析和解決逐步培育起來的，相信通過教師的精心設計教學，讓枯燥的概念與生動的化工實際融合，問題引領、任務驅動，類似轉化率等理論性問題會在學生的積極體驗、遷移、推理、建模和應用中得到有效解決的。