2023届高中化学人教版二轮专题复习第19讲-化学反应中的转化率与产率（学案）

第18讲-转化率及其应用一、知识重构1.转化率、平衡转化率与产率的概念①转化率（α）=EQ\f(反应物转化的物质的量或质量、浓度,反应物起始的物质的量或质量、浓度)关注的是反应物的变化，即某反应物发生转化的物质的量与总物质的量的比值。②平衡转化率关注的是可逆反应达平衡状态时，某反应物发生转化的物质的量与总物质的量的比值。③产率=EQ\f(m(实际),m(理论))×100%，关注的是生成物的变化，即目标产物的实际产量与理论产量的比值。2.影响转化率的因素影响平衡转化率的因素:以mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g)为例浓度①增大其中一种反应物浓度，可提高另一种反应物的转化率，其本身转化率降低；②减小生成物浓度，可以提高反应物的转化率；③若按化学计量数之比投料，各反应物转化率相等；若按1:1投料，则各反应物转化率之比等于系数比；在工业生产中，通过适当增大廉价原料的浓度来提高高价原料的转化率。温度①若正反应放热，降温能提高反应物的平衡转化率；②若正反应吸热，升温能提高反应物的平衡转化率；在工业生产中，需要考虑综合经济效益，一般无论放热还是吸热反应，都可以通过适当升高温度来提高反应速率，从而提高一定时间内反应物的转化率。压强①若m+n>p+q，增大压强能提高各反应物平衡转化率；②若m+n<p+q，减小压强能提高各反应物平衡转化率；③在工业生产中，需要综合考虑经济效益，除了需要考虑反应物的转化率外、还需要考虑速率、加压成本等。催化剂①催化剂对平衡转化率无影响；②在工业生产中，可以通过选择适当催化剂，提高一定时间内反应物的转化率或者通过提高反应的选择性来提高产物的产率。二、重温经典【例题1】（2022全国甲卷28题，节选）金属钛(Ti)在航空航天、医疗器械等工业领域有着重要用途。目前生产钛的方法之一是将金红石(TiO2)转化为TiCl4，再进一步还原得到钛。回答下列问题：（1）TiO2转化为TiCl4有直接氯化法和碳氯化法。在1000℃时反应的热化学方程式及其平衡常数如下：（ⅰ）直接氯化：TiO2(s)+2Cl2(g)==TiCl4(g)+O2(g)ΔH1=172kJ·mol-1,Kp1=1.0×10-2（ⅱ）碳氯化：TiO2(s)+2Cl2(g)+2C(s)==TiCl4(g)+2CO(g)ΔH2=-51kJ·mol-1,Kp2=1.2×1012③对于碳氯化反应:温度升高，平衡转化率 (填“变大”“变小”或“不变”)。（2）在1.0×105Pa，将TiO2、C、Cl2以物质的量比1∶∶2进行反应。体系中气体平衡组成比例（物质的量分数）随温度变化的理论计算结果如图所示。②图中显示，在200℃平衡时TiO2几乎完全转化为TiCl4，但实际生产中反应温度却远高于此温度，其原因是 。【答案】（1）变小（2）为了提高反应速率，在相同时间内得到更多的TiCl4【解析】（1）③碳氯化反应中，正向反应为气体分子数增大的放热反应，列原理，增大压强，平衡向左移动：升高温度，平衡向左移动，平衡转化率减小。（2）②实际生产中反应温度高于200℃，原因是升高温度，反应速率增大，缩短了反应达到平衡的时间，可以在相同时间内得到更多的TiCl4以达到最佳效益。【例题2】（北京卷18题，节选）白云石的主要化学成分为CaMg(CO3)2，还含有质量分数约为2.1%的Fe2O3和1.0%的SiO2。利用白云石制备高纯度的碳酸钙和氧化镁，流程示意图如下。已知：物质Ca(OH)2Mg(OH)2CaCO3MgCO3Ksp5.5×10-65.6×10-123.4×10-96.8×10-6（1）白云石矿样煅烧完全分解的化学方程式为；（3）“浸镁”过程中，取固体B与一定浓度的(NH4)2SO4溶液混合，充分反应后MgO的浸出率低于60%。加热蒸馏，MgO的浸出率随馏出液体积增大而增大，最终可达98.9%。从化学平衡的角度解释浸出率增大的原因是 。【答案】（1）CaMg(CO3)2eq\o(=====,\s\up6(高温))CaO+MgO+2CO2↑（3）MgO+H2O=Mg(OH)2Mg(OH)2+2NH4+Mg2++2NH3+2H2O随大量氨气逸出，平衡正向移动，导致氧化镁浸出率增大【解析】（1）白云石矿样改写成（CaCO3·MgCO3）煅烧完全分解生成氧化钙、氧化镁、二氧化碳气体，CaMg(CO3)2eq\o(=====,\s\up6(高温))CaO+MgO+2CO2↑(3)“浸镁”过程中，发生反应：MgO+H2O=Mg(OH)2Mg(OH)2+2NH4+Mg2++2NH3+2H2O加热蒸馏随大量氨逸出，平衡正向移动，利于氢氧化镁转化为硫酸镁。【例题3】（2022河北卷16题，节选）氢能是极具发展潜力的清洁能源，以氢燃料为代表的燃料电池有良好的应用前景。工业上常用甲烷水蒸气重整制备氢气，体系中发生如下反应。Ⅰ.CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g);Ⅱ.CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)①下列操作中，能提高CH4(g)平衡转化率的是 (填标号)。A.增加CH4(g)用量B.恒温恒压下通入惰性气体 C.移除CO(g)D.加入催化剂【答案】BC【解析】增加CH4(g)用量可以提高H2O(g)的转化率，但是CH4(g)平衡转化率减小，A不符合题意；恒温恒压下通入惰性气体，相当于减小体系压强，反应Ⅰ的化学平衡正向移动，能提高CH4(g)平衡转化率，B符合题意；移除CO(g)，减小了反应混合物中CO(g)的浓度，反应Ⅰ的化学平衡正向移动，能提高CH4(g)平衡转化率，C符合题意；加入催化剂不能改变平衡状态，故不能提高CH4(g)平衡转化率，D不符合题意。【例题4】（浙江卷29题，节选）主要成分为H2S的工业废气的回收利用有重要意义。（2）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:Ⅰ2H2S(g)2H2(g)+S2(g)ΔH1=170kJ·mol-1ⅡCH4(g)+S2(g)CS2(g)+2H2(g)ΔH2=64kJ·mol-1总反应:Ⅲ2H2S(g)+CH4(g)CS2(g)+4H2(g)ΔH=234kJ·mol-1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的体积分数如下表：温度/℃9501000105011001150H2/(V%)CS2/(V%)②下列说法正确的是 。A.其他条件不变时，用Ar替代N2作稀释气体，对实验结果几乎无影响B.其他条件不变时，温度越高，H2S的转化率越高C.由实验数据推出H2S中的S—H键强于CH4中的C—H键D.恒温恒压下，增加N2的体积分数,H2的浓度升高④在1000℃、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。【答案】②AB④1000℃时CH4不参与反应，H2S体积分数不变，即分压不变，经历相同的时间转化率相同【解析】②N2不是反应物，故使用Ar代替N2对实验结果无影响，A正确；该反应为吸热反应，故温度升高，平衡向正反应方向移动，H2S的转化率升高，B正确；题目中所给信息有限，无法根据已有信息推出S—H键与C—H键的键能的大小关系，C错误；恒温恒压下，增加N2的体积分数，N2的分压增加，相当于原有体系的容积增大，即相当于对原平衡体系减小压强，平衡向正反应方向移动。但根据平衡移动原理,氢气的浓度应降低，D错误。④根据表中数据可知1000℃时CH4不参与反应，相同分压的H2S经历相同的时间转化率相同，所以在1000℃常压下，保持通入的H2S体积分数不变，提高投料比时H2S的转化率不变。三、模型建构1.外界条件对转化率、产率影响的基本思维模型一般模型注意：①恒温恒容充惰气，体积不变，反应物浓度不变，平衡不移动，反应物转化率不变②恒温恒压充惰气，反应物的体积分数减小，即分压减小，相当于减压，平衡向气体分子数增大的方向移动③加催化剂，不会影响平衡转化率2.实际生产中条件的选择与分析的基本思维模型原则：很多反应，实现原料的高转化率和反应的高速率所需要的条件往往是相互矛盾的。在依据化学反应进行实际生产时不应片面追求高转化率或高反应速率，而应该选择以较高的反应速率获取适当转化率的反应条件。加催化剂，不会影响平衡转化率，但是可以提高反应速率，增加反应的选择性，因此工业生产中可以通过加催化剂，提高一定时间内的转化率和产率。升高温度，对于放热反应，不利于提高反应物的平衡转化率，但适当升高温度可以提高反应速率、增强催化剂的活性，所以工业生产中可以适当升高温度，提高一定时间内的转化率和产率。【例题5】（2022辽宁卷17题，节选）工业合成氨是人类科学技术的一项重大突破，目前已有三位科学家因其获得诺贝尔奖，其反应为：N2(g)+3H2(g)2NH3(g)ΔH=-92.4kJ·mol-1ΔS=-200J·K-1·mol-1（2）温（填“高”或“低”，下同）有利于提高反应速率， 温有利于提高平衡转化率，综合考虑催化剂（铁触媒）活性等因素，工业常采用400~500℃。（3）针对反应速率与平衡产率的矛盾，我国科学家提出了两种解决方案。方案一：双温-双控-双催化剂。使用Fe-TiO2-xHy双催化剂，通过光辐射产生温差（如体系温度为495℃时，Fe的温度为547℃，而TiO2-xHy的温度为415℃）。下列说法正确的是 。a.氨气在“冷Ti”表面生成，有利于提高氨的平衡产率b.N≡N在“热Fe”表面断裂，有利于提高合成氨反应速率c.“热Fe”高于体系温度，有利于提高氨的平衡产率d.“冷Ti”低于体系温度，有利于提高合成氨反应速率（4）方案二：M-LiH复合催化剂下列说法正确的是 。a．300℃时，复合催化剂比单一催化剂效率更高b．同温同压下，复合催化剂有利于提高氨的平衡产率c．温度越高，复合催化剂活性一定越高考点：温度对速率、平衡转化率、产率、催化剂的影响以及催化剂对平衡产率的影响。【答案】（2）高低（3）ab（4）a【解析】（2）温度越高，反应速率越快，所以高温有利于提高反应速率；因为正反应为放热反应，所以低温有利于提高平衡转化率。（3）因为正反应为放热反应，所以低温有利于平衡正向移动，氨气在“冷Ti”表面生成，有利于提高氨的平衡产率，a正确c错误；温度升高，反应速率加快，所以N≡N在“热Fe”表面断裂，有利于提高合成氨反应速率，b正确d错误。（4）从图中可以看出，300℃时，复合催化剂比单一催化剂的反应速率快，催化效率更高，a正确；催化剂只能改变反应速率，不能改变平衡产率，所以同温同压下，复合催化剂不能提高氨的平衡产率，b不正确；虽然图中显示温度高反应速率快，但温度过高，复合催化剂可能失去活性，c不正确。【例题6】（2022海南卷16题，节选）某空间站的生命保障系统功能之一是实现氧循环，其中涉及反应：CO2(g)+4H2(g)eq\o(,\s\up7(催化剂))2H2O(g)+CH4(g)。在相同条件下，CO2(g)与H2(g)还会发生不利于氧循环的副反应：CO2(g)+3H2(g)eq\o(,\s\up7(催化剂))H2O(g)+CH3OH(g)，在反应器中按n(CO2)∶n(H2)=1∶4通入反应物，在不同温度、不同催化剂条件下,反应进行到2min时，测得反应器中CH3OH、CH4浓度(μmol·L-1)如下表所示。若某空间站的生命保障系统实际选择使用催化剂Ⅱ和400℃的反应条件，原因是 。【答案】相同催化剂，400℃时的反应速率更大；相同温度，使用催化剂Ⅱ副产物浓度低，甲烷与甲醇比例高【解析】由表中信息可知，在选择使用催化剂Ⅰ和350℃条件下反应，0~2minCH3OH的浓度由0增加到10.8μmol·L-1，c(CH4)：c(CH3OH)=12722：10.8≈1178；在选择使用催化剂Ⅱ和350℃的反应条件下，0~2minCH3OH的浓度由0增加到9.2μmol·L-1，c(CH4)：c(CH3OH)=10775：9.2≈1171；在选择使用催化剂Ⅰ和400℃条件下反应，0~2minCH3OH的浓度由0增加到345.2μmol·L-1，c(CH4)：c(CH3OH)=42780：345.2≈124；在选择使用催化剂Ⅱ和400℃的反应条件下，0~2minCH3OH的浓度由0增加到34μmol·L-1，c(CH4)：c(CH3OH)=38932：34≈1145。因此，若某空间站的生命保障系统实际选择使用催化剂Ⅱ和400℃反应条件的原因是：相同催化剂，400℃时的反应速率更大；相同温度，使用催化剂Ⅱ副产物浓度低，甲烷与甲醇比例高。3.“三段式”解决转化率计算的解题模型（起始量转化量平衡量）（体积分数平衡常数平衡时各物质之间的量的关系）【例题7】（2022全国乙卷28题，节选）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：（1）已知下列反应的热化学方程式:①2H2S(g)+3O2(g)==2SO2(g)+2H2O(g)ΔH1=-1036kJ·mol-1②4H2S(g)+2SO2(g)==3S2(g)+4H2O(g)ΔH2=+94kJ·mol-1③2H2(g)+O2(g)==2H2O(g)ΔH3=-484kJ·mol-1计算H2S热分解反应④2H2S(g)==S2(g)+2H2(g)的ΔH4= kJ·mol-1。（3）在1470K、100kPa反应条件下，将n(H2S)∶n(Ar)=1∶4的混合气进行H2S热分解反应。平衡时混合气中H2S与H2的分压相等,H2S平衡转化率为 。（4）在1373K、100kPa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下图所示。①n(H2S)∶n(Ar)越小，H2S平衡转化率 ，理由是 。②n(H2S)∶n(Ar)=1∶9对应图中曲线 ，计算其在0~0.1s之间，H2S分压的平均变化率为 kPa·s-1。考点：分压的含义、化学方程式的计算的灵活运用能力以及恒压充惰气对平衡转化率的影响及相关计算【答案】①越大恒压条件下，H2S的分压越小，越有利于H2S分解反应的正向进行②d【解析】（1）根据盖斯定律可得：④=①×EQ\f(1,3)＋②×EQ\f(1,3)－③=(-1036kJ·mol-1+94kJ·mol-1)×EQ\f(1,3)－(-484kJ·mol-1)=kJ·mol-1（3）H2S分解的反应是气体分子数增大的反应，恒压条件下，Ar越多，H2S的分压越小，越有利于H2S分解反应的正向进行，即H2S的平衡转化率越大。（4）①H2S分解的反应是气体分子数增大的反应，恒压条件下，Ar越多，H2S的分压越小，越有利于H2S分解反应的正向进行，即H2S的平衡转化率越大。②由图像和转化率大小关系可知，曲线a、b、c、d、en(H2S)∶n(Ar)4∶1、1∶1、1∶4、1∶91∶19时的转化率与时间的关系，n(H2S)∶n(Ar)=1∶9dH2S1mol，Ar的物质的量为9mol，由题图可知，当0.1s时H2S的转化率为24%，则2H2S(g)S2(g)+2H2(g)起始(mol)100转化(mol)0.240.12平衡(mol)0.760.12则0.1s时气体的总物质的量为0.76mol+0.12mol+0.24mol+9mol=10.12mol。起始时，H2S的分压为100kPa×0.1=10kPa，0.1s时H2S的分压为100kPa×EQ\f(0.76,10.12)≈7.51kPa，即变化值约为2.49kPa，则变化率为24.9kPa·s-1。【例题8】（2022山东卷20题，节选）利用γ-丁内酯(BL)制备1,4-丁二醇(BD)，反应过程中伴有生成四氢呋喃(THF)和1-丁醇(BuOH)的副反应，涉及反应如下：已知：①反应Ⅰ为快速平衡，可认为不受慢反应Ⅱ、Ⅲ的影响；②因反应Ⅰ在高压H2氛围下进行，故H2压强近似等于总压。回答下列问题：（1）以5.0×10-3molBL或BD为初始原料，在493K、3.0×103kPa的高压H2氛围下，分别在恒压容器中进行反应。达平衡时，以BL为原料，体系向环境放热XkJ；以BD为原料，体系从环境吸热YkJ。（2）初始条件同上。xi表示某物种i的物质的量与除H2外其他各物种总物质的量之比，xBL和xBD随时间t变化关系如图甲所示。实验测得X<Y，则图中表示xBL变化的曲线是 ；以BL为原料时，t1时刻𝑥H2O= ，BD产率=（保留两位有效数字）。考点：多重反应中，产物的物质的量的计算、产率的计算【答案】a或39%【解析】在5.0×10-3molBL5.0×10-3molBD493K、3.0×103kPa的高压H2氛围有全等平衡X<Y，BLBD物质转化量，则平BL物质的量大，根据图示可知，xBLac；由图可知，平衡时xBL和xBD分别是0.48和0.36，所以可得xTHF+xBuOH+xH2O，又因为xTHF+xBuOH=EQ\f(1,2)xH2O，BD产率=EQ\f(0.36,0.636+0.48+0.08)×100％≈39％。【例题9】（浙江卷29题，节选）工业上，以煤炭为原料，通入一定比例的空气和水蒸气，经过系列反应可以得到满足不同需求的原料气。请回答：（3）一氧化碳变换反应：CO(g)+H2O(g)==CO2(g)+H2(g)ΔH=-41kJ·mol-1。①一定温度下，反应后测得各组分的平衡压强(即组分的物质的量分数×总压)：p(CO)、p(H2、p(CO2)=0.75MPa和p(H2，则反应的平衡常数K的数值为 。②维持与题①相同的温度和总压，提高水蒸气的比例，使CO的平衡转化率提高到90%，则原料气中水蒸气和CO的物质的量之比为 。【答案】（3）①9②：1【解析】（3）①该反应平衡常数K=EQ\f(p(CO2)·p(H2),p(CO)·p(H2O))=EQ\f(×0.75,×0.25)=9②假设原料气中水蒸气为xmol，CO为1mol，由题意列三段式如下：CO(g)+H2O(g)==CO2(g)+H2(g)起始/mol 1x 0 0转化/平衡/mol则平衡常数K=EQ\f(\f(0.9,V)×\f(0.9,V),\f(0.1,V)×\f(x-0.9,V))=9解得x所以原料气中水蒸气和CO的物质的量之比为1.8:14.外界条件对多重反应影响的基本思维模型【例题10】（江苏卷13题，节选）乙醇—水催化重整可获得H2，其主要反应为：C2H5OH(g)+3H2O(g)==2CO2(g)+6H2(g)ΔH=173.3kJ·mol-1CO2