—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·mol−1
C(s)+O2(g)=CO2(g) ΔH=-394 kJ·mol−1
C(s)+1/2O2(g)=CO(g) ΔH=-111 kJ·mol−1
（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：
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积碳反应 CH4(g)=C(s)+2H2(g) |
消碳反应 CO2(g)+C(s)=2CO(g) |
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ΔH/(kJ·mol−1) |
75 |
172 |
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活化能/ (kJ·mol−1) |
催化剂X |
33 |
91 |
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催化剂Y |
43 |
72 |
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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．K积、K消均增加 B．v积减小，v消增加
C．K积减小，K消增加 D．v消增加的倍数比v积增加的倍数大
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