—以实际工业生产过程为背景的化学平衡图像例析

摘要结合高考试题对化学平衡图像的考查,论述了解决以实际工业生产为背景的化学平衡图像题需要的能力,凸显了高考命题在培养学生核心素养的导向作用。

关键词实际工业生产   化学平衡图像   核心素养

化学平衡图像是化学反应速率和化学平衡的综合考察形式,深度融合了数学思维解决化学问题,考察学生的读图能力,分析能力,知识综合运用能力。近几年图像题更加趋向于从化工生产的真实场景为依托,考察化学反应原理在实际工业生产中的应用。往往根据实际工业生产,结合图像,分析投料比、转化率、产率的变化。题目的信息量较大,能充分考查学生读图、提取信息、解决问题的能力,在高考中受到命题者青睐。

一、区分实际工业生产的产率与平衡产率在图像中的考查

对于图像题,首先要过的是审题关。坐标图中最直观的信息就是“面”“线”“点”。

审“面”就是要明确横纵坐标的物理意义;审“线”就是明确线的变化趋势是“递增”“递减”还是“不变”;审“点”就是要关注“起点”“拐点”“最高点”“终点”等。

其次要了解工业生产实际过程反应原理场景。

   例1. (2016新课标2卷27题,节选)丙烯腈(CH2=CHCN)是一种重要的化工原料,

工业上可用“丙烯氨氧化法”生产,主要副产物有丙烯醛(CH2=CHCHO)和乙腈(CH3CN)

等,回答下列问题:

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

A.催化剂活性降低    

B.平衡常数变大

C.副反应增多    

D.反应活化能增大

 

 

解析:本题目选择工业“丙烯氨氧化法”生产丙烯腈的案例,考察化学反应原理在实际工业生产中的应用。本题的实际工业过程是在一种所谓的管式反应器中进行的。管式反应器具有温度控制功能,其中填有固体催化剂。反应气体以一定流速通过设定温度的反应器,出口气中含有产物及未反应的反应物。图a中,丙烯腈产率—温度曲线,呈现了先增大后减小的变化趋势,中间经历了最高点温度,将曲线分为两段。在本题的(1)中已经给出了丙烯腈的生成是放热反应。460 ℃之前的曲线,随温度的升高平衡产率应该减小,但实际却增大。

说明460 ℃之前未达平衡状态。460 ℃之后产率降低,从变化趋势看,可能是反应处于平衡状态;也可能是催化剂的活性降低或者副反应增多使化学反应速率减小,而使产率降低。在实际生产过程中,化学反应往往并非在平衡态进行,这取决于生产效益综合评价。若降低进气口流速,反应接近或达到平衡状态,丙烯腈产率会提高,但单位时间生产效益却降低了,因此工业上往往反应没有达到平衡状态。因此实际工业生产中的产率往往都不是平衡产率。

例2(2017新课标2卷27题,节选)

丁烯是一种重要的化工原料,可由丁烷催化脱氢制备。

回答下列问题:

正丁烷(C4H10)脱氢制1-丁烯(C4H8

的热化学方程式如下:

C4H10(g)= 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___________。

解析:通过例1的理解,本题(2)的进料气以一定流速通过反应器,气体分子与催化剂接触的时间是固定的,并不是达到平衡状态才流出。由反应的基本知识可知:氢气作为反应物,理应因为原料气的比例提高而使丁烯产率降低,但图像前段所呈现的变化趋势恰恰相反,由此也可推断该变化趋势不是平衡因素引起的。而外界压强和温度的因素也已经排除。只能从速率的角度考虑了。题目中给出氢气可以活化催化剂,前段丁烯产率的提高是催化剂使反应速率加快的原因;氢气满足催化剂活化的需求后,再增大其量,由于它是产物之一,加快了逆反应速率,因而丁烯的产率下降。本题进一步说明实际工业生产的产率一般不是平衡产率,为了考虑经济效益最大化,要考虑生产效率。

二、催化剂的性质、活化能对催化反应的影响

在催化反应中,由于催化剂表面各种副反应的发生,使催化剂表面会产生积碳,催化活性位被碳覆盖,导致催化剂失活。催化剂的活性和选择性由于微量外来物质的存在而下降,此即为催化剂中毒。在工业生产中,通常一段时间后,就必须停止反应,烧去催化剂表面的积碳,使催化剂再生。催化剂改变反应速率,是因为改变了反应路径,降低了反应所需的活化能。活化能是活化分子的平均能量与反应物分子平均能量的差。活化能是决定化学反应速率的内因,一定温度下,反应的活化能越大,得到的活化分子数越少,反应速率越慢;反之,活化能小的反应速率快。

例3.(2018新课标2卷27题,节选) CH4-CO2催化重整不仅可以得到合成气(CO和H2),还对温室气体的减排具有重要意义。回答下列问题:

(1)CH4-CO2催化重整反应为:CH4(g)+CO2(g)=2CO(g)+2H2(g)。

已知:C(s)+2H2(g)=CH4(g)   ΔH=-75 kJ·mol1

C(s)+O2(g)=CO2(g)    ΔH=-394 kJ·mol1

C(s)+1/2O2(g)=CO(g)   ΔH=-111 kJ·mol1

(2)反应中催化剂活性会因积碳反应而降低,同时存在的消碳反应则使积碳量减少。

相关数据如下表:

 

积碳反应

CH4(g)=C(s)+2H2(g)

消碳反应

CO2(g)+C(s)=2CO(g)

ΔH/(kJ·mol1)

75

172

活化能/

(kJ·mol1)

催化剂X

33

91

催化剂Y

43

72

①由上表判断,催化剂X____Y(填“优于”或“劣于”),理由是_________________。在反应进料气组成、压强及反应时间相同的情况下,某催化剂表面的积碳量随温度的变化关系如图所示。升高温度时,下列关于积碳反应、消碳反应的平衡常数(K)和速率(v)的叙述正确的是________填标号)。

A.KK均增加                B.v减小,v增加

C.K减小,K增加              D.v增加的倍数比v增加的倍数大

解析:由于积碳反应和消碳反应的反应热都为正值,根据温度对化学反应的影响,升温平衡常数都增大。并且两个反应中,积碳反应的活化能小于消碳反应的活化能,根据活化能与化学反应速率的关系,活化能越高的反应受温度的影响越大,所以,升高相同的温度,对消碳反应的速率影响大,速率增大的倍数高。

    总之,以实际工业生产为背景的化学平衡图像题是高中化学的一个难点,对考生的综合素养要求较高。它不仅需要掌握基本的化学反应速率与化学平衡知识,更需要考生能够站在一个实际化学工作者的角度看问题、思考问题。做这类题,需要理解题的背景及设计意图,并结合已有的化学知识进行解答,充分体现了高考对考生化学学科的核心素养的考查,所以应该让学生走出校门,进入化学工厂进行社会实践,而不是端着书本进行“纸上谈兵”。

                                      参考文献

  [1]《无机化学》第三版上册 北京师范大学 华中师范大学 南京师范大学 无机化学教研室编 182-185

  [2]雷旭波 2018高考理科试题分析

[3]宋心琦.普通高中课程标准实验教科书:化学选修4 [M].第3版.北京:人民教育出版社2007:22-25

            

 

 

 


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