平衡體系轉化率變化問題探析
——由近三年江蘇省高考選擇題引發(fā)的思考

張錦程

(湖北省武漢市第十二中學)

一、真題再現(xiàn)

( )

A.該反應的ΔH<0,ΔS<0

C.使用高效催化劑能降低反應的焓變

下列說法正確的是

( )

A.圖中曲線①表示平衡時H2產(chǎn)率隨溫度的變化

B.升高溫度,平衡時CO的選擇性增大

D.一定溫度下,加入CaO(s)或選用高效催化劑,均能提高平衡時H2產(chǎn)率

【例3】(2023年江蘇卷,13題)二氧化碳加氫制甲烷過程中的主要反應為

( )

B.CH4的平衡選擇性隨著溫度的升高而增加

C.用該催化劑催化二氧化碳反應的最佳溫度范圍約為480～530℃

二、構建模型

aA(g)+bB(g)cC(g)+dD(g)c0(單位:mol/L)xy00δc(單位:mol/L)abcdct(單位:mol/L)x-ay-bcd

平衡時增加A的量,相當于起始A的量增加,設A的起始濃度為kx(k>1),B的起始濃度不變,仍然為y。此時,A的消耗量也增大,假設δc(A)為ta(t>1),則B的消耗量為tb,C和D的生成量分別為tc和td。寫出此時該反應的三段式:

aA(g)+bB(g)cC(g)+dD(g)c0(單位:mol/L)kxy00δc(單位:mol/L)tatbtctdct(單位:mol/L)kx-tay-tbtctd

三、問題分析

首先αB、αB′ 的大小關系是很容易判斷的,由于t>1,故αB′ >αB。該結論在很多可逆反應中得到運用,例如:合成氨反應中適當提高N2的量可提高H2的轉化率。

那么αA、αA′ 的大小關系又是怎樣的呢?只需要比較k與t的大小。

在同一溫度下,對于同一反應,平衡常數(shù)K的數(shù)值不變,故K=K′:

①

同時約掉ccdd:

②

等式右邊分子分母同時除以ta:

③

④

⑤

分類討論:a、b、c、d均為自然數(shù)。

表1 化學計量數(shù)相對大小與轉化率變化的關系

四、思維拓展

回到公式推導的最后一個等式⑤:

⑤

⑥

分類討論:

總結以上討論結果如表2:

表2 化學計量數(shù)相對大小與轉化率變化的關系(當b=0時)

為什么當b=0時的情況與b≠0時不同?

其實當b=0時,即只存在一種反應物A,一定溫度下,增大A的量,可以等效認為是壓縮容器體積(即增大壓強),這兩種情況下達到的平衡是等效的。考慮后者,增大壓強,根據(jù)勒夏特列原理,平衡向氣體分子數(shù)減少的方向移動,于是整個問題最關鍵的點在于反應物和生成物的化學計量數(shù)大小關系:如果反應前后,氣體分子數(shù)增加,則平衡逆向移動,A的轉化率下降;如果反應前后,氣體分子數(shù)不變,則平衡不移動,A的轉化率不變;如果反應前后,氣體分子數(shù)減少,則平衡正向移動,A的轉化率升高。而b≠0時,則不能用等效平衡的思想來解決問題。

五、總結反思