基于化工生產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的一種目標追求，是衡量化工生產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驗圖示，有利于促進知識的結構化、功能化，具有良好的素養發展價值。

在高三復習化學反應原理模塊中發現，轉化率的考查多以化工生產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，教師通過創設問題情景，搭建思維支架，幫助學生剖析轉化率的變化規律，破解異常，回歸到基本的反應原理上，培養學生的“變化觀念和平衡思想”“證據推理與模型認知”素養，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，根據一定溫度下的平衡常數計算該條件下反應物的平衡轉化率，還需要起始態的反應物濃度，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，但平衡常數相等，即在一定溫度下，化學平衡常數是一個定值，但認為平衡轉化率也是一個定值就是錯誤的。化學平衡常數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，平衡常數只是溫度函數，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節選)近年來，隨著聚酯工業的快速發展，氯氣的需求量和氯化氫的產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K(300℃)________(填“大于”或“小于”)K(400℃)。設HCl初始濃度為c0，根據進料濃度比c(HCl)∶c(O2)=1∶1的數據計算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，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相關數據，列出三段式求解即可。

二、指導學生區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，這時很多學生會發現“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，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，甚至還余有發生平衡移動的時間，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，因此在實際的生產中，工程師并不單純地追求平衡轉化率，而是統籌考慮限度和反應速率，以期得到單位時間的最大產量。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。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。

化工生產追求生產效率，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，就是理想狀態與反應實際操作水平的差距，二者產值越大，說明操作水平越低，增產潛力越大。

教學時，教師可以通過創設問題情景，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，深化理解優化反應條件的意義增強了工業生產的時間及效率觀念，學生能夠理解化學反應條件優化的意義，真正區分平衡轉化率和轉化率這兩個概念。

三、認識轉化率與產率的不同

《高中化學課程標準(2017年版)》特別強調“創設真實且富有價值的問題情景，促進學生化學學科素養的形成和發展”，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，如平衡產率與平衡轉化率有何區別，同時，由于化工原理非常復雜，常存在平行反應、連串反應等，造成轉化率與產率的不一致，轉化率高但產率不一定高，這類問題的分析和解決對學生能力和素養的要求更高。

【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 產率與溫度關系圖

丁烯產率在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，丁烯產量增多；或溫度升高，反應速率加快，單位時間產生丁烯更多

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率-溫度曲線，很多學生會想產率與轉化率能畫等號嗎？

本題中，丁烯產率在590℃之前隨溫度升高而增大，從平衡的角度出發，反應吸熱，升高溫度平衡向正反應方向移動，因此產率升高，與平衡轉化率增大基本一致；從速率的角度出發，升高溫度化學反應速率加快，單位時間內生成的丁烯增多，產率增大，與轉化率基本一致。590℃之后，丁烯產率快速降低，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現丁烯高溫裂解生成短碳鏈烴是產率降低的主要原因。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、副反應發生等因素限制，工業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的轉化率更有實際意義，這是分析實際生產中的相關轉化率問題的基本認知模型。核心素養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。