简化模型分类 突破转化率问题

湖北 杨世全 邱亚明

表1 转化率的类型及影响因素

在以“真实情境”为命题原则的情况下，新高考试题中对转化率的考查属于热点问题。在2022年高考化学卷中，全国卷和多个地区的高考卷均考查了转化率，主要涉及转化率的计算和转化率变化趋势的判断。高考试题对转化率的考查，倾向于融入学科核心素养和关键能力的考查。例如，2022年6月浙江卷，需要阅读试题的信息，依靠获取的信息进行分析判断，不仅考查了对转化率知识的掌握，还考查了信息的获取能力和推理判断能力。在陌生情境中，遇到与转化率有关的问题，建议构建思维模型解决问题，不能过于依靠总结的结论进行判断。

一、一段时间内的转化率分析

通常分析一段时间内的转化率的变化基本思路如图1所示。

图1 一段时间内的转化率分析思路

【例1】(2022年6月浙江卷，29(2)④题)热解H2S制H2。根据文献，将H2S和CH4的混合气体导入石英管反应器热解(一边进料，另一边出料)，发生如下反应：

投料按体积之比V(H2S)∶V(CH4)=2∶1，并用N2稀释；常压，不同温度下反应相同时间后，测得H2和CS2体积分数如表2所示：

表2

在1 000℃，常压下，保持通入的H2S体积分数不变，提高投料比[V(H2S)∶V(CH4)]，H2S的转化率不变，原因是__________________________________________________________________________。

【分析】阅读题目中给定的条件“一边进料，另一边出料”“反应相同时间”可知，本题分析的H2S的转化率属于一段时间内的转化率，需要从反应速率的角度分析。根据表格中的信息可知，1 000℃时CS2的体积分数为0，说明此温度下并没有发生反应Ⅱ，CH4没有参与反应。常压下，当H2S体积分数不变时，说明H2S的分压是定值，即H2S的浓度为定值，与投料比无关，因此在其余外界条件相同的情况下，浓度一定，则反应速率相同，一段时间内的转化量也相同，所以转化率不变。

通过对该例题的分析可以总结出，对于“一段时间内的转化率”分析模型如图2。

图2 一段时间内的转化率分析模型

可以看出该试题以真实的化工生产为情境，需要考虑反应物投入的实际情况(恒压、氮气施压等)，是基于真实问题解决进行的考查。在解答这类试题的过程中应注意题目信息的获取、信息的整合，将陌生的问题简化为熟悉的问题，结合原理的分析，考虑工业的实际生产过程最终可形成完整的作答。

【例2】(2020年江苏卷，20(1)题)CO2/HCOOH循环在氢能的贮存/释放、燃料电池等方面具有重要应用。

图3

二、平衡态转化率分析

当遇到平衡态转化率的判断时，分析思路如图4所示。

图4 平衡态转化率的分析思路

总结出的平衡态转化率变化规律如表3所示。

表3 平衡态转化率变化规律

表4 平衡态转化率变化分析模型

【例3】(2022年全国乙卷，28(4)①题改编)油气开采、石油化工、煤化工等行业废气普遍含有的硫化氢，需要回收处理并加以利用。回答下列问题：

已知下列反应的热化学方程式：

在实际生产作业中，也发生过由于人为因素或者设备故障导致集卡旋锁开闭不到位，造成桥吊在起吊集装箱时发生连箱带车一起起吊的安全事故，造成财产损失。

在1 373 K、100 kPa反应条件下，对于n(H2S)∶n(Ar)分别为4∶1、1∶1、1∶4、1∶9、1∶19的H2S-Ar混合气，热分解反应过程中H2S转化率随时间的变化如图5所示。

图5

n(H2S)∶n(Ar)越小，H2S平衡转化率________，理由是_____________________________________。

【分析】本题考查H2S平衡转化率，分析的方向为平衡移动，影响因素为投料比。当条件为恒温、总压恒定时，由于H2S所占的比例不同，导致其分压不同。因此不能当作恒压情况(恒压等效)进行处理。实际此处的分析可以看成恒体积情况下，H2S浓度不同进行处理。

思路一：K判定法。在恒温、恒压条件下，假设起始H2S分压为p1，达到平衡态，此时转化率为α，平衡常数为Kp，三段式如下：

起始p10 0

转化αp10.5αp1αp1

若起始H2S分压变为p2，假设某时刻转化率达到了α，根据此时的转化率列出三段式如下：

起始p20 0

转化αp20.5αp2αp2

某时刻 (1-α)p20.5αp2αp2

思路二：等效法。假设容器Ⅰ中投入1 mol H2S和容器Ⅱ中投入2 mol H2S(如图6)，对比容器Ⅰ和Ⅱ中的平衡态。可以假设容器Ⅲ，设定的容器Ⅲ投入量为2 mol H2S，体积为2V，则容器Ⅰ和Ⅲ中所达到的平衡态相同，转化率αⅠ=αⅢ。由容器Ⅲ的平衡态变为容器Ⅱ，需要压缩体积，根据勒夏特列原理，平衡往系数小的方向移动，即逆向移动，则H2S的转化率减小，αⅢ>αⅡ，最终推出αⅠ>αⅡ，得出当投入量减小，H2S的转化率增大。

图6

思路三：H2S分压减小，分解反应中只有H2S一种反应物，因此相当于减压，依据勒夏特列原理，平衡向系数增大的方向移动，即平衡正向移动，H2S的平衡转化率增大。

通过以上的例题可以认识到，在高考试题中，对转化率的考查主要分为2种形式：①转化率的计算；②转化率变化的判断及解释。转化率的计算方法为三段式法，通常考查平衡态的转化率计算，只需要寻找题目给出的信息，列出三段式，利用三段式中的数据进行计算即可。在学习中需要注意练习寻找数据，注重题目数据之间的关系，能够熟练使用阿伏加德罗定律及其推论进行数据之间的转化。

从全国乙卷的转化率判断可以看出，在恒温恒压条件下，由于反应物只有一个，随着n(H2S)∶n(Ar)比例的减小，投入的H2S量减少，若错认为应按照表3中(2)的规律分析，则会得到平衡不移动，转化率不变的结论，与正确答案不一致。若从分压的角度分析，则不会出现误解的情况。因此，将原有的分析模型转变成分压的分析模型一方面可以简化分类，便于记忆理解；另一方面与实际的生产更贴合，可以将复杂的情境转变为简单的模型，使用更加方便更易于理解。

回答下列问题：

(1)恒温、恒压条件下，在密闭容器中，投料比n(SO2)∶n(空气)=1∶3时，若容器1中投入1 mol SO2，容器2中投入2 mol SO2，则两容器中SO2的转化率α大小为α1________(填“>”“<”或“=”)α2。

(2)恒温、恒压条件下，增大n(SO2)∶n(空气)的比例，则SO2的平衡转化率会________(填“增大”“不变”或“减小”)。

(2)恒温、恒压条件下，增大n(SO2)∶n(空气)的比例，则pSO2增大，pO2减小，相当于增大了SO2的量，则α(SO2)减小。

【例4】(2020年山东卷，18(3)题改编)探究CH3OH合成反应化学平衡的影响因素，有利于提高CH3OH的产率。以CO2、H2为原料合成CH3OH涉及的主要反应如下：

回答下列问题：

不同压强下，按照n(CO2)∶n(H2)=1∶3投料，实验测定CO2的平衡转化率和CH3OH的平衡产率随温度的变化关系如图所示。

其中纵坐标表示CO2平衡转化率的是图________(填“甲”或“乙”)；压强p1、p2、p3由大到小的顺序为________；图乙中T1温度时，三条曲线几乎交于一点的原因是__________________________________________________________________________。

图乙

【分析】本题中需要分析的是平衡转化率，影响因素为温度。根据题意CO2参与了多个平衡，因此需要综合考虑多个平衡的移动。升温时，反应Ⅰ逆向移动，CO2转化量减少；反应Ⅲ正向移动，CO2转化量增多，直接分析不易判断CO2转化率的变化。若分析CH3OH的平衡产率，通过反应Ⅰ和Ⅱ可以分析出，升温两个反应均逆向移动，则CH3OH的平衡产率降低，因此图甲对应的是CH3OH的平衡产率，则图乙对应的是CO2的平衡转化率。从图像可以看出，CO2平衡转化率先降低后升高，结合反应Ⅰ和Ⅲ的移动情况，在升温的过程中前一阶段以反应Ⅰ为主，后一阶段以反应Ⅲ为主。分析思路如图7所示。

图甲

图7 平衡转化率的分析思路

压强增大反应Ⅰ和Ⅱ平衡正向移动，反应Ⅲ平衡不受压强影响，因此压强越大则CO2转化率越大，所以p1>p2>p3。当温度升高到一定程度，主要发生的反应为反应Ⅲ，压强对反应Ⅲ的平衡无影响，因此三条线在T1时几乎交于一点。

从新高考的考查方向和考查方式看，高考试题要选拔合适的人才，做到有效的区分度，会更加注重考查学生对信息的整合、对原因的分析和对结论的评价。高考试题对转化率的分析通常设置成主观性文字型的描述题，提升了考查难度，因此，复习过程中，应培养以“证据推理与模型认知”的学科核心素养为导向的能力指标，注重逻辑思维和综合分析能力的培养，形成高阶思维模型。抓住问题的本质，建立多样的分析模式，形成发散性的多种思维方式，让学生知其然，也知其所以然。总之，在复习备考中应适应新高考的变化，以能力培养为目标，注重对过程的分析和理解，才能真正地完成知识的升华。