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的思考

張錦程

(湖北省武漢市第十二中學)

一、真題再現

( )

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K的數值不變,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。

表1 化學計量數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,根據勒夏特列原理,平衡向氣體分子數減少的方向移動,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大小關系:如果反應前后,氣體分子數增加,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