催化劑對(duì)轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)率影響的判斷分析

鄧清貴

(廣東省惠州市惠東縣惠東高級(jí)中學(xué) 516300)

一、催化劑的作用

初中化學(xué)教材中的催化劑定義是“指在化學(xué)反應(yīng)中能改變其他物質(zhì)的反應(yīng)速率，而本身的質(zhì)量和化學(xué)性質(zhì)在化學(xué)反應(yīng)前后都沒(méi)有改變的物質(zhì)”

催化作用可分為均相催化、多相催化、生物催化、自動(dòng)催化、電催化、光助催化、光電催化等等，工業(yè)生產(chǎn)中的催化作用大多屬于多相催化.高中階段教學(xué)所指催化劑作用多為多相催化作用，催化劑對(duì)反應(yīng)物分子發(fā)生化學(xué)吸附作用，使反應(yīng)物分子得到活化，降低了反應(yīng)的活化能，從而使反應(yīng)速率加快，但不能改變反應(yīng)過(guò)程的焓變(如圖1所示).中學(xué)階段對(duì)催化劑及催化作用的一般認(rèn)識(shí)是：催化只能改變反應(yīng)速率(加快或者減慢)，但不能改變轉(zhuǎn)化率.

圖1

催化具有選擇性，在工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際中，往往要選擇合適的催化劑，讓其中一種反應(yīng)加快速率，盡速達(dá)到平衡.如果可能，它還要同時(shí)抑制副反應(yīng)的進(jìn)行.

二、轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)率

在生產(chǎn)應(yīng)用中，會(huì)考慮轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)率的指標(biāo).為實(shí)現(xiàn)對(duì)原料的充分利用，應(yīng)該追求更高的轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)率.中學(xué)階段的學(xué)習(xí)中，容易對(duì)這兩個(gè)概念造成混淆.

轉(zhuǎn)化率是指所有消耗掉的反應(yīng)物占總反應(yīng)物的百分比，轉(zhuǎn)化率=(已消耗反應(yīng)物/反應(yīng)物總量)×100%；產(chǎn)率是指實(shí)際所得產(chǎn)量與理論計(jì)算產(chǎn)量的比值，產(chǎn)率=(實(shí)際產(chǎn)量/理論產(chǎn)量)×100%.可見(jiàn)，轉(zhuǎn)化率是針對(duì)反應(yīng)物而言，評(píng)價(jià)的是反應(yīng)物的利用程度，產(chǎn)率是針對(duì)目標(biāo)產(chǎn)品而言，評(píng)價(jià)的是生成效率.

考慮到催化劑的選擇性，對(duì)于在給定條件下反應(yīng)物之間能同時(shí)進(jìn)行多個(gè)反應(yīng)的情況，理想的催化劑可以大幅度提高目標(biāo)產(chǎn)物在最終產(chǎn)物中的含量，即提高目標(biāo)產(chǎn)物的產(chǎn)率.

三、催化劑對(duì)轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)率的影響

對(duì)于不考慮副反應(yīng)的生產(chǎn)過(guò)程，轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)率的內(nèi)涵是一致的，轉(zhuǎn)化率高也就意味著產(chǎn)率高，在生產(chǎn)中只要考慮改變條件使得平衡盡可能正向移動(dòng)就可以了.比如2018年“廣東一模”理綜卷27題：

A．盡量升高反應(yīng)溫度 B．將原料氣適當(dāng)加壓

C．采用適當(dāng)?shù)拇呋瘎?D．將氨液化，不斷移去液氨

分析此問(wèn)時(shí)，須注意其設(shè)問(wèn)起點(diǎn)是N2和H2反應(yīng)(而非工業(yè)合成氨過(guò)程中從利用化石燃料造氣開(kāi)始)，反應(yīng)單一，不存在考慮催化劑的選擇性問(wèn)題，催化劑只負(fù)責(zé)提升反應(yīng)速率，無(wú)須區(qū)分是提高轉(zhuǎn)化率還是產(chǎn)率的.故B、D兩項(xiàng)為正確答案，而C項(xiàng)在本題應(yīng)理解為只能提高速率，不能改變產(chǎn)率.

又如下面這個(gè)問(wèn)題：

反應(yīng)Ⅰ(主):

反應(yīng)Ⅱ(副):

圖2為某催化劑條件下，CH3OH轉(zhuǎn)化率、CO生成率與溫度的變化關(guān)系.

圖2

據(jù)圖分析，隨著溫度的升高，CO的實(shí)際反應(yīng)生成率沒(méi)有不斷接近平衡狀態(tài)生成率的原因是什么？并寫(xiě)出一條能提高CH3OH轉(zhuǎn)化率而降低CO生成率的措施.

本題的分析過(guò)程首先要注意到區(qū)分主副反應(yīng).生成CO是在副反應(yīng)中，CO不能達(dá)到平衡產(chǎn)率的原因就是生產(chǎn)中有意控制的結(jié)果，而抑制副反應(yīng)的途徑之一就是利用催化劑的選擇性，故第一個(gè)問(wèn)題的回答應(yīng)該是“催化劑對(duì)反應(yīng)Ⅱ的選擇性低”.第二個(gè)問(wèn)題，從催化劑的角度看，本質(zhì)上和第一問(wèn)是相同的，故措施之一為“選擇更合適的催化劑”.

對(duì)但一反應(yīng)而言，催化劑可以通過(guò)降低活化能來(lái)改變反應(yīng)速率，不能改變反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率；但如果存在多個(gè)反應(yīng)(副反應(yīng))，利用催化劑的選擇性可以加速目標(biāo)反應(yīng)，從而提高目標(biāo)產(chǎn)品的產(chǎn)率.在工業(yè)生產(chǎn)中，提高產(chǎn)率的途徑之一就是要選擇合適的催化劑.