簡化模型分類 突破轉(zhuǎn)化率問題

湖北 楊世全 邱亞明

表1 轉(zhuǎn)化率的類型及影響因素

在以“真實情境”為命題原則的情況下，新高考試題中對轉(zhuǎn)化率的考查屬于熱點問題。在2022年高考化學(xué)卷中，全國卷和多個地區(qū)的高考卷均考查了轉(zhuǎn)化率，主要涉及轉(zhuǎn)化率的計算和轉(zhuǎn)化率變化趨勢的判斷。高考試題對轉(zhuǎn)化率的考查，傾向于融入學(xué)科核心素養(yǎng)和關(guān)鍵能力的考查。例如，2022年6月浙江卷，需要閱讀試題的信息，依靠獲取的信息進行分析判斷，不僅考查了對轉(zhuǎn)化率知識的掌握，還考查了信息的獲取能力和推理判斷能力。在陌生情境中，遇到與轉(zhuǎn)化率有關(guān)的問題，建議構(gòu)建思維模型解決問題，不能過于依靠總結(jié)的結(jié)論進行判斷。

一、一段時間內(nèi)的轉(zhuǎn)化率分析

通常分析一段時間內(nèi)的轉(zhuǎn)化率的變化基本思路如圖1所示。

圖1 一段時間內(nèi)的轉(zhuǎn)化率分析思路

【例1】(2022年6月浙江卷，29(2)④題)熱解H2S制H2。根據(jù)文獻，將H2S和CH4的混合氣體導(dǎo)入石英管反應(yīng)器熱解(一邊進料，另一邊出料)，發(fā)生如下反應(yīng)：

投料按體積之比V(H2S)∶V(CH4)=2∶1，并用N2稀釋；常壓，不同溫度下反應(yīng)相同時間后，測得H2和CS2體積分數(shù)如表2所示：

表2

在1 000℃，常壓下，保持通入的H2S體積分數(shù)不變，提高投料比[V(H2S)∶V(CH4)]，H2S的轉(zhuǎn)化率不變，原因是__________________________________________________________________________。

【分析】閱讀題目中給定的條件“一邊進料，另一邊出料”“反應(yīng)相同時間”可知，本題分析的H2S的轉(zhuǎn)化率屬于一段時間內(nèi)的轉(zhuǎn)化率，需要從反應(yīng)速率的角度分析。根據(jù)表格中的信息可知，1 000℃時CS2的體積分數(shù)為0，說明此溫度下并沒有發(fā)生反應(yīng)Ⅱ，CH4沒有參與反應(yīng)。常壓下，當(dāng)H2S體積分數(shù)不變時，說明H2S的分壓是定值，即H2S的濃度為定值，與投料比無關(guān)，因此在其余外界條件相同的情況下，濃度一定，則反應(yīng)速率相同，一段時間內(nèi)的轉(zhuǎn)化量也相同，所以轉(zhuǎn)化率不變。

通過對該例題的分析可以總結(jié)出，對于“一段時間內(nèi)的轉(zhuǎn)化率”分析模型如圖2。

圖2 一段時間內(nèi)的轉(zhuǎn)化率分析模型

可以看出該試題以真實的化工生產(chǎn)為情境，需要考慮反應(yīng)物投入的實際情況(恒壓、氮氣施壓等)，是基于真實問題解決進行的考查。在解答這類試題的過程中應(yīng)注意題目信息的獲取、信息的整合，將陌生的問題簡化為熟悉的問題，結(jié)合原理的分析，考慮工業(yè)的實際生產(chǎn)過程最終可形成完整的作答。

【例2】(2020年江蘇卷，20(1)題)CO2/HCOOH循環(huán)在氫能的貯存/釋放、燃料電池等方面具有重要應(yīng)用。

圖3

二、平衡態(tài)轉(zhuǎn)化率分析

當(dāng)遇到平衡態(tài)轉(zhuǎn)化率的判斷時，分析思路如圖4所示。

圖4 平衡態(tài)轉(zhuǎn)化率的分析思路

總結(jié)出的平衡態(tài)轉(zhuǎn)化率變化規(guī)律如表3所示。

表3 平衡態(tài)轉(zhuǎn)化率變化規(guī)律

表4 平衡態(tài)轉(zhuǎn)化率變化分析模型

【例3】(2022年全國乙卷，28(4)①題改編)油氣開采、石油化工、煤化工等行業(yè)廢氣普遍含有的硫化氫，需要回收處理并加以利用。回答下列問題：

已知下列反應(yīng)的熱化學(xué)方程式：

在實際生產(chǎn)作業(yè)中，也發(fā)生過由于人為因素或者設(shè)備故障導(dǎo)致集卡旋鎖開閉不到位，造成橋吊在起吊集裝箱時發(fā)生連箱帶車一起起吊的安全事故，造成財產(chǎn)損失。

在1 373 K、100 kPa反應(yīng)條件下，對于n(H2S)∶n(Ar)分別為4∶1、1∶1、1∶4、1∶9、1∶19的H2S-Ar混合氣，熱分解反應(yīng)過程中H2S轉(zhuǎn)化率隨時間的變化如圖5所示。

圖5

n(H2S)∶n(Ar)越小，H2S平衡轉(zhuǎn)化率________，理由是_____________________________________。

【分析】本題考查H2S平衡轉(zhuǎn)化率，分析的方向為平衡移動，影響因素為投料比。當(dāng)條件為恒溫、總壓恒定時，由于H2S所占的比例不同，導(dǎo)致其分壓不同。因此不能當(dāng)作恒壓情況(恒壓等效)進行處理。實際此處的分析可以看成恒體積情況下，H2S濃度不同進行處理。

思路一：K判定法。在恒溫、恒壓條件下，假設(shè)起始H2S分壓為p1，達到平衡態(tài)，此時轉(zhuǎn)化率為α，平衡常數(shù)為Kp，三段式如下：

起始p10 0

轉(zhuǎn)化αp10.5αp1αp1

若起始H2S分壓變?yōu)閜2，假設(shè)某時刻轉(zhuǎn)化率達到了α，根據(jù)此時的轉(zhuǎn)化率列出三段式如下：

起始p20 0

轉(zhuǎn)化αp20.5αp2αp2

某時刻 (1-α)p20.5αp2αp2

思路二：等效法。假設(shè)容器Ⅰ中投入1 mol H2S和容器Ⅱ中投入2 mol H2S(如圖6)，對比容器Ⅰ和Ⅱ中的平衡態(tài)。可以假設(shè)容器Ⅲ，設(shè)定的容器Ⅲ投入量為2 mol H2S，體積為2V，則容器Ⅰ和Ⅲ中所達到的平衡態(tài)相同，轉(zhuǎn)化率αⅠ=αⅢ。由容器Ⅲ的平衡態(tài)變?yōu)槿萜鳍颍枰獕嚎s體積，根據(jù)勒夏特列原理，平衡往系數(shù)小的方向移動，即逆向移動，則H2S的轉(zhuǎn)化率減小，αⅢ>αⅡ，最終推出αⅠ>αⅡ，得出當(dāng)投入量減小，H2S的轉(zhuǎn)化率增大。

圖6

思路三：H2S分壓減小，分解反應(yīng)中只有H2S一種反應(yīng)物，因此相當(dāng)于減壓，依據(jù)勒夏特列原理，平衡向系數(shù)增大的方向移動，即平衡正向移動，H2S的平衡轉(zhuǎn)化率增大。

通過以上的例題可以認識到，在高考試題中，對轉(zhuǎn)化率的考查主要分為2種形式：①轉(zhuǎn)化率的計算；②轉(zhuǎn)化率變化的判斷及解釋。轉(zhuǎn)化率的計算方法為三段式法，通常考查平衡態(tài)的轉(zhuǎn)化率計算，只需要尋找題目給出的信息，列出三段式，利用三段式中的數(shù)據(jù)進行計算即可。在學(xué)習(xí)中需要注意練習(xí)尋找數(shù)據(jù)，注重題目數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，能夠熟練使用阿伏加德羅定律及其推論進行數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)化。

從全國乙卷的轉(zhuǎn)化率判斷可以看出，在恒溫恒壓條件下，由于反應(yīng)物只有一個，隨著n(H2S)∶n(Ar)比例的減小，投入的H2S量減少，若錯認為應(yīng)按照表3中(2)的規(guī)律分析，則會得到平衡不移動，轉(zhuǎn)化率不變的結(jié)論，與正確答案不一致。若從分壓的角度分析，則不會出現(xiàn)誤解的情況。因此，將原有的分析模型轉(zhuǎn)變成分壓的分析模型一方面可以簡化分類，便于記憶理解；另一方面與實際的生產(chǎn)更貼合，可以將復(fù)雜的情境轉(zhuǎn)變?yōu)楹唵蔚哪Ｐ停褂酶臃奖愀子诶斫狻?/p>

回答下列問題：

(1)恒溫、恒壓條件下，在密閉容器中，投料比n(SO2)∶n(空氣)=1∶3時，若容器1中投入1 mol SO2，容器2中投入2 mol SO2，則兩容器中SO2的轉(zhuǎn)化率α大小為α1________(填“>”“<”或“=”)α2。

(2)恒溫、恒壓條件下，增大n(SO2)∶n(空氣)的比例，則SO2的平衡轉(zhuǎn)化率會________(填“增大”“不變”或“減小”)。

(2)恒溫、恒壓條件下，增大n(SO2)∶n(空氣)的比例，則pSO2增大，pO2減小，相當(dāng)于增大了SO2的量，則α(SO2)減小。

【例4】(2020年山東卷，18(3)題改編)探究CH3OH合成反應(yīng)化學(xué)平衡的影響因素，有利于提高CH3OH的產(chǎn)率。以CO2、H2為原料合成CH3OH涉及的主要反應(yīng)如下：

回答下列問題：

不同壓強下，按照n(CO2)∶n(H2)=1∶3投料，實驗測定CO2的平衡轉(zhuǎn)化率和CH3OH的平衡產(chǎn)率隨溫度的變化關(guān)系如圖所示。

其中縱坐標表示CO2平衡轉(zhuǎn)化率的是圖________(填“甲”或“乙”)；壓強p1、p2、p3由大到小的順序為________；圖乙中T1溫度時，三條曲線幾乎交于一點的原因是__________________________________________________________________________。

圖乙

【分析】本題中需要分析的是平衡轉(zhuǎn)化率，影響因素為溫度。根據(jù)題意CO2參與了多個平衡，因此需要綜合考慮多個平衡的移動。升溫時，反應(yīng)Ⅰ逆向移動，CO2轉(zhuǎn)化量減少；反應(yīng)Ⅲ正向移動，CO2轉(zhuǎn)化量增多，直接分析不易判斷CO2轉(zhuǎn)化率的變化。若分析CH3OH的平衡產(chǎn)率，通過反應(yīng)Ⅰ和Ⅱ可以分析出，升溫兩個反應(yīng)均逆向移動，則CH3OH的平衡產(chǎn)率降低，因此圖甲對應(yīng)的是CH3OH的平衡產(chǎn)率，則圖乙對應(yīng)的是CO2的平衡轉(zhuǎn)化率。從圖像可以看出，CO2平衡轉(zhuǎn)化率先降低后升高，結(jié)合反應(yīng)Ⅰ和Ⅲ的移動情況，在升溫的過程中前一階段以反應(yīng)Ⅰ為主，后一階段以反應(yīng)Ⅲ為主。分析思路如圖7所示。

圖甲

圖7 平衡轉(zhuǎn)化率的分析思路

壓強增大反應(yīng)Ⅰ和Ⅱ平衡正向移動，反應(yīng)Ⅲ平衡不受壓強影響，因此壓強越大則CO2轉(zhuǎn)化率越大，所以p1>p2>p3。當(dāng)溫度升高到一定程度，主要發(fā)生的反應(yīng)為反應(yīng)Ⅲ，壓強對反應(yīng)Ⅲ的平衡無影響，因此三條線在T1時幾乎交于一點。

從新高考的考查方向和考查方式看，高考試題要選拔合適的人才，做到有效的區(qū)分度，會更加注重考查學(xué)生對信息的整合、對原因的分析和對結(jié)論的評價。高考試題對轉(zhuǎn)化率的分析通常設(shè)置成主觀性文字型的描述題，提升了考查難度，因此，復(fù)習(xí)過程中，應(yīng)培養(yǎng)以“證據(jù)推理與模型認知”的學(xué)科核心素養(yǎng)為導(dǎo)向的能力指標，注重邏輯思維和綜合分析能力的培養(yǎng)，形成高階思維模型。抓住問題的本質(zhì)，建立多樣的分析模式，形成發(fā)散性的多種思維方式，讓學(xué)生知其然，也知其所以然。總之，在復(fù)習(xí)備考中應(yīng)適應(yīng)新高考的變化，以能力培養(yǎng)為目標，注重對過程的分析和理解，才能真正地完成知識的升華。