催化剂对转化率和产率影响的判断分析

邓清贵

(广东省惠州市惠东县惠东高级中学 516300)

一、催化剂的作用

初中化学教材中的催化剂定义是“指在化学反应中能改变其他物质的反应速率，而本身的质量和化学性质在化学反应前后都没有改变的物质”

催化作用可分为均相催化、多相催化、生物催化、自动催化、电催化、光助催化、光电催化等等，工业生产中的催化作用大多属于多相催化.高中阶段教学所指催化剂作用多为多相催化作用，催化剂对反应物分子发生化学吸附作用，使反应物分子得到活化，降低了反应的活化能，从而使反应速率加快，但不能改变反应过程的焓变(如图1所示).中学阶段对催化剂及催化作用的一般认识是：催化只能改变反应速率(加快或者减慢)，但不能改变转化率.

图1

催化具有选择性，在工业生产实际中，往往要选择合适的催化剂，让其中一种反应加快速率，尽速达到平衡.如果可能，它还要同时抑制副反应的进行.

二、转化率和产率

在生产应用中，会考虑转化率和产率的指标.为实现对原料的充分利用，应该追求更高的转化率和产率.中学阶段的学习中，容易对这两个概念造成混淆.

转化率是指所有消耗掉的反应物占总反应物的百分比，转化率=(已消耗反应物/反应物总量)×100%；产率是指实际所得产量与理论计算产量的比值，产率=(实际产量/理论产量)×100%.可见，转化率是针对反应物而言，评价的是反应物的利用程度，产率是针对目标产品而言，评价的是生成效率.

考虑到催化剂的选择性，对于在给定条件下反应物之间能同时进行多个反应的情况，理想的催化剂可以大幅度提高目标产物在最终产物中的含量，即提高目标产物的产率.

三、催化剂对转化率和产率的影响

对于不考虑副反应的生产过程，转化率和产率的内涵是一致的，转化率高也就意味着产率高，在生产中只要考虑改变条件使得平衡尽可能正向移动就可以了.比如2018年“广东一模”理综卷27题：

A．尽量升高反应温度 B．将原料气适当加压

C．采用适当的催化剂 D．将氨液化，不断移去液氨

分析此问时，须注意其设问起点是N2和H2反应(而非工业合成氨过程中从利用化石燃料造气开始)，反应单一，不存在考虑催化剂的选择性问题，催化剂只负责提升反应速率，无须区分是提高转化率还是产率的.故B、D两项为正确答案，而C项在本题应理解为只能提高速率，不能改变产率.

又如下面这个问题：

反应Ⅰ(主):

反应Ⅱ(副):

图2为某催化剂条件下，CH3OH转化率、CO生成率与温度的变化关系.

图2

据图分析，随着温度的升高，CO的实际反应生成率没有不断接近平衡状态生成率的原因是什么？并写出一条能提高CH3OH转化率而降低CO生成率的措施.

本题的分析过程首先要注意到区分主副反应.生成CO是在副反应中，CO不能达到平衡产率的原因就是生产中有意控制的结果，而抑制副反应的途径之一就是利用催化剂的选择性，故第一个问题的回答应该是“催化剂对反应Ⅱ的选择性低”.第二个问题，从催化剂的角度看，本质上和第一问是相同的，故措施之一为“选择更合适的催化剂”.

对但一反应而言，催化剂可以通过降低活化能来改变反应速率，不能改变反应物转化率；但如果存在多个反应(副反应)，利用催化剂的选择性可以加速目标反应，从而提高目标产品的产率.在工业生产中，提高产率的途径之一就是要选择合适的催化剂.