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化学平衡中的产率与转化率是否一致

来源:中学化学研究微信公众号作者:仲夏玥 点击:所属专题: 产率 转化率
近年来在高考命题中经常能看到产率这一概念。而产率在课本中并没有明确的定义,学生并不能很好的理解这一概念,因此增加了考题的难度。今天,就对这两个概念做个具体的解释。 一、转化率与产率 首先,明确下转化率的概念:转化率(α)= n (转化) ÷ n (总) ,关注在反应

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近年来在高考命题中经常能看到产率这一概念。而产率在课本中并没有明确的定义,学生并不能很好的理解这一概念,因此增加了考题的难度。今天,就对这两个概念做个具体的解释。

一、转化率与产率

首先,明确下转化率的概念:转化率(α)=n(转化)÷n(总),关注在反应物的变化。接下来,明确下产率的的概念:产率=m(实际)÷m(理论),更加关注生成物的变化。这时有同学就会认为,转化率和产率的变化趋势是相同的。在通常情况下,这个结论是正确的。但是一个化学反应伴随着副反应时这个结论就不对了。转化率变大意味着反应物反应的多了,但是不一定转化成我们想要的物质,此时转化率变大了而产率有可能变小了。下面我们通过一道习题能够更好的理解这一概念。

例:有研究者在催化剂(Cu﹣Zn﹣Al﹣O和Al2O3)、压强为5.0MPa的条件下,由H2和CO直接制备甲醚,结果如图所示。

①290℃前,CO转化率和甲醚产率的变化趋势不一致的原因是                     

②ΔH         0,( 填“>”或“<”或“=”)理由是                      


化学平衡中的产率与转化率是否一致

分析:从图中我们可以观察到CO的转化率减小而甲醚的产率是先增后减,与一氧化碳的转化率矛盾了,此时我们就应该想到有副产物的生成。温度升高,CO的转化率降低,说明此反应是放热反应。

答案:(1)温度升高,平衡左移,CO的转化率降低,但副反应随温度的升高而被抑制,因此甲醚的产率变高了。

(2)<,温度升高,平衡左移,一氧化碳转化率降低,说明此反应是放热反应。

在这里我们总结一下,对于一个放热反应,产率先增大后减小,说明此反应伴随着副反应。

练习:丁烯是一种重要的化工原料,可由丁烷催化脱氢制备。

C4H10(g)化学平衡中的产率与转化率是否一致 C4H8(g)+H2(g)    ΔH1

(2)丁烷和氢气的混合气体以一定流速通过填充有催化剂的反应器(氢气的作用是活化催化剂),出口气中含有丁烯、丁烷、氢气等。图(B)为丁烯产率与进料气中n(氢气)/N(丁烷)的关系。图中曲线呈现先升高后降低的变化趋势,其降低的原因是______________________。

化学平衡中的产率与转化率是否一致

(3)图(C)为反应产率和反应温度的关系曲线,副产物主要是高温裂解生成的短碳链烃类化合物。丁烯产率在590℃之前随温度升高而增大的原因可能是___________、_____________;590℃之后,丁烯产率快速降低的主要原因可能是_____________。

答案:(1)原料中过量H2会使反应①平衡逆向移动,所以丁烯产率下降 ;(2)升高温度时,反应速率加快,单位时间内产生丁烯更多 、 590℃前升高温度,反应①平衡正向移动 ;高温则有更多的丁烷裂解生成副产物导致产率降低

二、催化剂是否影响转化率?

(1)首先,明确下这里的转化率,通常情况下指的是平衡时的转化率。此时催还剂对转化率没有影响。但是在工业生产时要考虑到经济效益,往往转化率要考虑到时间成本,此时催化剂就可以提高转化率(未平衡时的转化率),应为催化剂可以加快反应速率,单位时间内转化的更多了,转化率增大了。

(2)催化剂不仅可以改变反应速率,还可以改变反应的选择性。

我们通过一道例题来理解这一概念

例:(2016国二)图(a)为丙烯腈产率与反应温度的关系曲线,最高产率对应的温度为460℃.低于460℃时,丙烯腈的产率(填“是”或“不是”)对应温度下的平衡产率,判断理由是;高于460℃时,丙烯腈的产率降低的可能原因是(      )(反应放热,双选,填标号).

化学平衡中的产率与转化率是否一致

A、催化剂活性降低

B、平衡常数变大

C、副产物增多

D、反应化学平衡中的产率与转化率是否一致活化能增大

分析:此反应是放热反应温度升高平衡左移,转化率应该降低,低于460℃时产率增大,因此此时没有达到平衡状态。而催化剂有一个最适温度,也就是说在460℃时催化剂活性最高,此时转化率最高。这个最高点不能说明达到平衡状态。高于460℃时,转化率可能降低的原因是催化剂活性降低了,同时选择性也降低了,生成的副产物增多了。

答案:不是、该反应为放热反应,平衡产率应随温度升高而降低      AC

三、反思

最近几年有关化学反应原理的试题越来越接近实际生产,都是以实际出发作为命题的素材,因此我们在备考的过程中应该理论联系实际,才能对试题有充分的理解。

今天我们主要解释了产率与转化率的关系,催化剂能否改变转化率的问题。

四、解答

前两天有老师在教师交流群中问了一道2019年江苏卷的高考题,你能否用今天的观点解释一下此图的意义。

在恒压、NO和O2的起始浓度一定的条件下,催化反应相同时间,测得不同温度下NO转化为NO2的转化率如图中实线所示(图中虚线表示相同条件下NO的平衡转化率随温度的变化)。下列说法正确的是(  )

化学平衡中的产率与转化率是否一致

解释:实线的最高点代表着此时催化剂的活性最高,转化率最高但此时并不能说明是平衡点。

五、总结:

假设所分析的化学反应是放热反应。

(1)纵坐标为转化率横坐标为温度的图像

化学平衡中的产率与转化率是否一致

1.如果此反应不涉及催化剂,此图像中的最高点(包括之后的点)平衡状态。之前没有达到平衡。达到平衡状态之前速率是主要因素温度越高,反应速率快,生成的物质就越多,转化率变大。达到平衡之后,反应限度为主要因素,温度越高转化率越低。

2.如果此图像涉及催化剂,最高点只代表催化剂的活性最大,此点不能代表平衡点。

(2)纵坐标为产率横坐标为温度

化学平衡中的产率与转化率是否一致

此图前半部分产率增大的主要原因是:温度升高反应速率加快产率变大。后半部分产率变小的原因有可能是:

1.温度升高平衡左移

2.催化剂的活性降低

3.催化剂的选择性降低了生成了更多的副产物,

所以产率降低。


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化学平衡中的产率与转化率是否一致

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