要区分平衡转化率与产率

——对2017年高考理综2卷27（化学）题的解析

在化学教学中出现的气相化学平衡体系，一般都是只关系到一个典型可逆化学反应，这样的最简单的平衡体系。它还容易与平衡移动方向判断等问题联系起来。所以，这种体系也常常作为考査学生多方面知识和理论的一个良好载体。

2017年高考理综2卷中的27题，基本上就是这样的一个考题。

但是，教师在给学生剖析这个题时，可能会遇到一些困难。有必要对它进行一番比较深入地讨论。

原题如下：

在网上看到的标准答案为：

一、问题（1）中的“平衡转化率”与“平衡产率”

在这个小题中，提出了3个需要回答的问题。

第一个问题

是已知两个反应的焓变，来计算另一个与其相关反应的焓变。

要用盖斯定律。由于反应 =反应 -反应 ，所以有ΔH₁=ΔH₂-ΔH₃。

代入具体数值后，有，ΔH₁=+123 kJ·mol^-1。

第二个问题

用“平衡转化率-温度-压力图”判断曲线间的压力关系。涉及的都是平衡状态。

判断压强对这个平衡影响情况的方法是：在图（a）横坐标上的任意一点（如500点），作该点的垂线。与两条曲线（0.1线及x线）有两个转化率不同的交点。x线的交点在上，也就是在该压强下丁烷的平衡转化率会变大。这是在0.1线基础上，平衡有正向移动的标志。

考虑到平衡是一个，反应后气体分子数增加的反应。只有减小压强平衡才会正向移动。

所以，x线对应的压强要更小一些。也就是x “<”0.1。

第三个问题

讨论外界条件改变，对平衡移动的影响。

由于反应是一个吸热（第一问已计算出来），且气体分子数增加的反应。

所以，正向移动的条件就是，升高反应温度，减小体系的压强。A与D都是可以采用的措施。

这个题中一个很不好的、容易造成混乱的问题是，术语使用的不一致。图（a）用的是“平衡转化率”（当然指的是丁烷），提问时用的是丁烯的“平衡产率”。

这两个概念在这里还是一样的。但是，在某些情况下（下面的几问中）就不是这样简单了。可以说，这是给这个大题后半部分表述的“混乱”，埋下了一个“伏笔”。

二、问题（2）中的“丁烯产率”

解题的依据换为了图（b）。不读懂这个图的含义，是谈不上“解题”的。

图的横坐标是一目了然的，就是进料气的组成。是氢气与丁烷的物质的量的比值，也是两者的体积比。

纵坐标是“丁烯产率”。这个产率是不是图（a）中的“平衡产率”呢？可以判断如下：

从反应（1）的平衡常数表达式，可看出。当p(H₂)成倍地增加时，丁烷的平衡转化率是会大幅度（成倍）下降的。不会是图（b）后半段，那样变化幅度很小的曲线。

由于有进料气、出口气、反应器，这样的工业生产术语，这里的“丁烯产率”是不是就是这个反应器的生产效率呢？因为在工业生产中，这是一个最重要的指标。这个反应器的生产效率（Q，表示单位时间内产出丁烯究竟有多少，也关系到在设备中“空转”的气体是多、还是少），应该用“出口气”的组成来衡量产率。即，

。

从这个式子看，当分子中的p(H₂)成倍增加时，这个Q也会大幅度的减小（因为产物丁烯被大幅度地稀释了），也不会是图（b）中的很平缓下降的曲线。

看来，这里的所谓“丁烯产率”指的只能是“丁烷瞬时转化率”了。这是一个没有达到化学平衡的开放体系。丁烷反应掉多少就只能取决于反应速度。

当然，在这样的情况下，H₂的量只要增加，逆反应的速度就会增大。H₂的加入量始终是一个不利于“丁烷瞬时转化率”的因素，图（b）中的曲线应该是一条始终是有负斜率的线（从一开始就应该是这样）。为什么在H₂的量比较少时还有一段正斜率的线段呢？那就是H₂的“助催化”作用了。

在n(氢气)/n(丁烷)的比值约为1.5这个点之前，是H₂的“助催化”作用造成的。在这之后则是氢气量增加，使逆反应速度加快的表现。

学生能想到这些，并这样来回答问题，也就可以了。

如果是教师的话，那就要根据这个图来研究一下，“氢气作为活化催化剂”到底对“产率”，也就是对实际的生产，会有什么具体的影响。因为，根据图（b）中的基本信息，是很容易进行这个计算的。

从这个图（b）一眼就可以看出，即便不加H₂，丁烷的转化率也达18%（坐标轴上的读数）。如果假定单位时间内通过反应器的气体物质总量是2mol（这是由气体压缩机的功率决定的）。这时产出的丁烯也能有0.36 mol（2×18%）。

如果加入的H₂是丁烷的1.5倍（横坐标上的1.5处），丁烷转化率可达30%（图中的最高点）。单位时间内能通过反应器的2mol气体物质中（压缩机的功率不应改变），丁烷只有0.8mol（其余都是H₂）。丁烷的转化率即便达30%，产出的丁烯也只仅是0.24 mol（0.8×30%）。竟然比不加“助催化”时的上一计算得到的产率还低了不少（只是前者的2/3）。

如果用后面更大的n(氢气)/n(丁烷)比数据来计算这个反应器的产率（也就是单位时间产出的丁烯量），那就更是低得可怜了。

从这个图应该还能知道，所谓的“助催化”作用，只有一些理论上的意义。对实际的生产反而是在“帮倒忙”（不加反而更好）。这个所谓的“研究”是完全脱离生产实际的。

如果一定要将其作为高考的试题，在图（b）中还是少一些“模糊”，将其纵坐标写为“丁烷转化率”才好。即便更清楚地写成“非平衡（或瞬时）丁烷转化率”，学生也是要看好一会才能想明白的。

在网上看到有“原料中过量H₂会使平衡（1）逆向移动，所以丁烯转化率下降”，这样的“答案”。这是对体系性质认定，有根本性错误的体现。要知道，图中的所有数据都是在反应还未达到平衡状态时测出的。

作为标准答案的“氢气是产物之一，随着n (氢气)/n(丁烷)增大，逆反应速率增大”，也似乎还有点绕弯，没有把问题的本质说清楚。第一句话最好改为“氢气作为逆反应的反应物，……”。

三、问题（3）中的“产率”

与前两个图不同，图（c）的纵坐标又换成了“产率”

其实，即便还有副产物，这个图的纵坐标也还是标为“丁烷转化率”为好。因为这个图分明就是在讨论，丁烷分别转化为丁烯及副产物的百分率。

像这个图那样，把“副产物”的量也标在“产率”中，总给人一种不伦不类的感觉。

至于另一个产物氢气，这不是人们所关注的，可以不画在图中。对于“副产物”处出现的两条线，教师也可以解释说，那是副产物1，与副产物2。剩余的丁烷也可以在被关心的范围之外（其实，从物料平衡就可以知道，剩余丁烷百分率= 100%-丁烯百分率-副产物1百分率-副产物2百分率）。总之，画这个图是要突出丁烯的量，及与它与副产物量之间的关系。

麻烦的是，从仅有的文字无法看出，纵坐标表示的是不是一个平衡转化率？也就是说，人们不知道是要从化学平衡，还是从反应速率，这两个不同角度中的哪一个来分析问题。

那么，学生就只好从这两个方面，分别来进行分析了。

如果这个反应的速度很慢，在所有实验所设定的时间内（很短），都不可能达到平衡状态，这就是一个单纯的反应速度问题了（与平衡无任何关系）。那么，就可以解释为，590之前是温度升高，反应速率要加快的表现；而590之后是丁烯不稳定（裂解）这个因素开始突出表现出来的区间（在这之前也是有裂解反应及其产物存在的）。

也就是说，简单回答“丁烯高温裂解生成短链烃类”，是不够严谨的。回答要能反映出，已看到在低于590时丁烯也有裂解。那就应该说，是“丁烯裂解的影响开始表现出来”。。

 如果绘制这个图时，所有的实验都是在达到平衡态的前提下测出的（时间足够地长）。那就不能用反应速率来解释问题了（在温度很低情况下的实验，为了能达到平衡，反应时间必然会更长）。这样，考虑到这个反应是一个吸热反应，升高温度可以使平衡正向移动，所以就会有丁烯转化率增大，且在590之前一直都是这样。而在590之后，还是只能用丁烯不稳定的表现来解释。

在不知道实验条件（平衡还是非平衡）的情况下，还必须要回答这个问题（何况试卷要求的还是有通融意味的“可能”）。

反应“灵活”的学生就知道，把这两种本来不相容的“答案”，合在一起，都写上去就行了。回答为“反应速度会增大”，及“平衡要向吸热（正）反应的方向移动”。这样，该学生还真的就能得满分。

如果，学生认为这个由实验得出的图，不可能连是不是平衡态都不知道，就按图（a）来理解。那自然就要扣分了。都是高中生了，怎么能连个“滴水不漏”的处理问题方法，都不懂呢？