一道高考试题的启示

王俊

摘要：近几年高考试题中关于转化率的题目较多，而这类题目中对转化率的考查要高于课本，更加接近工业生产的实际情况，是学以致用的典范，通过对一道高考试题的研究，了解转化率考察的方向和深度，给学生的复习指明方向。

关键词：转化率；平衡转化率；指挥棒

中图分类号：G633.8 文献标识码：A 文章编号：1992-7711（2018）06-0103

中学教材关于转化率的知识仅有一条，即人教版必修四29页注释，对反应物的转化率有如下定义：

但是，在实际应用和高考试题中对转化率却有着不同的理解，2018年版《高考理科试题分析——理科综合分册》在139页这样描述：平衡常数用来定量描述平衡时反应进行的程度，反应物的转化率和产物等可以表示反应在任何时刻进行的程度，而平衡转化率和平衡产率是该反应最大的转化率和产率。很显然，教材上的转化率指的是平衡转化率。由于高考题有引导教学的功能，因此在面对有关转化率的试题时，一定要分清：是平衡转化率还是某一时刻的转化率，若是平衡转化率就要从影响平衡因素的角度去分析；若是某时刻的转化率就要从影响速率因素的角度去分析。下面笔者以2017年全国2卷27题（节选）进行说明。

题目：（有改编）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：

（1）正丁烷（C4H10）脱氢制1-丁烯（C4H8）的热化学方程式如下：

①C4H10（g）= C4H8（g）+H2（g） ΔH1=+123 kJ·mol-1

图（a）是反应①平衡转化率与反应温度及压强的关系图，x_____0.1（填“大于”或“小于”）；欲使丁烯的平衡产率提高，应采取的措施是_______________（填标号）。

A. 升高温度 B. 降低温度 C. 增大压强 D. 降低压强

（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_______________。

（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_______________。

分析：（1）题目中明确指出为平衡转化率，那么用影响平衡因素的角度分析：由图（a）可以看出，当压强不变时，升高温度平衡转化率升高，与该反应是吸热反应（ΔH1=+123 kJ·mol-1）一致。当温度一定时（做辅助线即做一条垂直于温度轴的直线），xMPa的平衡转化率高于0.1MPa转化率，对于反应①为气相反应，即正反应为气体体积增大的反应，根据勒夏特列原理判断，降低压强，平衡向正反应方向移动，丁烷的平衡转化率较大，故x小于0.1。综合温度和压强对反应①的影响，要提高丁烷的转化率，就要采用升温和降压的方法，故选A、D。

（2）由题目导语可知，反应采用工业流化床方式，反应气体以一定的流速和一定的压强进入填有催化剂温度恒定的反应器，并从反应器后端口流出产物和未反应的原料气。由此可获得这类反应的重要特征信息：该条件下的反应可以是平衡状态下，也可以是未达到平衡状态下进行的；只要进料气流速一定，反应气体分子与催化剂的接触时间就是固定的，图（b）并非连续实验过程的信息关系，而是在相同的条件下，改变进料气的比例，将对应丁烯产率和原料气的比例作图得到的。观察图（b）曲线的变化趋势，可知丁烯的产率随进料气中氢气的比例增大，呈现先增大后降低的变化规律。为了解释这一现象，首先，由化学反应原理可知，氢气作为反应的产物，理应因为原料气中氢气的比例提高而使乙烯的产率降低，但图（b）曲线的变化前段却恰恰相反。由此可推断该变化趋势不是由于平衡因素的影响；其次，外界压强和温度的因素已排除。显而易见，只有从反应速率的因素考虑了。对该题而言，考虑催化剂和浓度就可以了。催化剂加快反应速率提高单位时间内丁烯的产率，氢气为反应产物，增大氢气的浓度，增加逆反应的速率，从而降低单位时间内乙烯的产率，由此可见反应前段随着氢气的增大，氢气作为催化剂对反应速率影响大，起着主导作用表现出反应速率加快，单位时间内丁烯的产率增加，当氢气的量增大到作为催化剂的量已经达到饱和时，氢气作为产物使逆反应的速率增加明显，超过了催化剂对反应速率的影响，这时氢气浓度的影响起着主导作用，就会表现为乙烯的产率下降即图（b）的后段。

（3）由图（c）可以得出两个信息：①丁烯的脱氢反应的产率随着温度的升高而增大，当温度达到590℃时发生转折急剧下降；②该反应伴随有副反应，其产率也随着温度的升高而增大，但到达590℃后快速增大；③该反应的副产物主要是高温裂解生成的短碳链烃类化合物。（③这条由题目中获取的）。590℃之前，若从平衡的角度去考虑，升高温度，平衡正移（ΔH1=+123 kJ·mol-1），丁烯的产率升高，若从速率的角度考虑，升高温度，反应速率加快，丁烯的产率升高，这两条都与曲线符合。590 ℃之后，丁烯产率快速降低的主要原因为丁烯高温裂解成短链烃，这从图（c）明显看出（丁烯急剧下降，副产物短链烃快速升高）。

通过对这道高考题的分析，探究命题人的目的，联系生产实际会发现，在工农业生产中，人们既要考慮反应进行的程度，又要考虑化学反应的速率，然后把二者结合起来综合考虑经济效益。学习的目的就是要运用，高考试题作为指挥棒，引导着中学教学，“学以致用”是这道题给我们的启示。在今后的学习中一定要不断思考，用学到的化学知识分析、解释身边的各种现象，把课堂知识学活，从中找到学习的动力和乐趣。

参考文献：

[1] 教育部.高考理科试题分析理科综合分册[M].北京：高等教育出版社，2018.

（作者单位：山西省襄汾县汾城高级中学校 041500）