化学平衡中的产率与转化率是否一致？

近年来在高考命题中经常能看到产率这一概念。而产率在课本中并没有明确的定义，学生并不能很好的理解这一概念，因此增加了考题的难度。今天，就对这两个概念做个具体的解释。

一、转化率与产率

首先，明确下转化率的概念：转化率(α)=n(转化)÷n(总)，关注在反应物的变化。

接下来，明确下产率的的概念：产率=m(实际)÷m(理论)，更加关注生成物的变化。

这时有同学就会认为，转化率和产率的变化趋势是相同的。

在通常情况下，这个结论是正确的。

但是一个化学反应伴随着副反应时这个结论就不对了。转化率变大意味着反应物反应的多了，但是不一定转化成我们想要的物质，此时转化率变大了而产率有可能变小了。

下面我们通过一道习题能够更好的理解这一概念。

例：有研究者在催化剂(Cu﹣Zn﹣Al﹣O和Al2O3)、压强为5.0MPa的条件下，由H2和CO直接制备甲醚，结果如图所示。

①290℃前，CO转化率和甲醚产率的变化趋势不一致的原因是                     ；

②ΔH         0，( 填“＞”或“＜”或“=”)理由是                       。

分析：从图中我们可以观察到CO的转化率减小而甲醚的产率是先增后减，与一氧化碳的转化率矛盾了，此时我们就应该想到有副产物的生成。温度升高，CO的转化率降低，说明此反应是放热反应。

答案：①温度升高，平衡左移，CO的转化率降低，但副反应随温度的升高而被抑制，因此甲醚的产率变高了。

②   ＜ ；   温度升高，平衡左移，一氧化碳转化率降低，说明此反应是放热反应。

总结一下，对于一个放热反应，产率先增大后减小，说明此反应伴随着副反应。

练习：(2017年全国新课标卷二)制备丁烯是一种重要的化工原料，可由丁烷催化脱氢。

①C4H10(g) ⇌C4H8(g)＋H2(g)    ΔH1=+123KJ／mol

(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_____________。

答案：(2)原料中过量H2会使反应①平衡逆向移动，所以丁烯产率下降　；

(3)升高温度时，反应速率加快，单位时间内产生丁烯更多　、

590℃前升高温度，反应①平衡正向移动　；

高温则有更多的丁烷裂解生成副产物导致产率降低。

二、催化剂是否影响转化率？

(1)首先，明确下这里的转化率，通常情况下指的是平衡时的转化率，此时催还剂对转化率没有影响。但是在工业生产时要考虑到经济效益，往往转化率要考虑到时间成本，此时催化剂就可以提高转化率(未平衡时的转化率)，应为催化剂可以加快反应速率，单位时间内转化的更多了，转化率增大了。

(2)催化剂不仅可以改变反应速率，还可以改变反应的选择性。

我们通过一道例题来理解这一概念

例：(2016全国新课标二卷)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***（CH2=CHCHO）和乙腈（CH3CN）等。回答下列问题：

（1）以丙烯、氨、氧气为原料，在催化剂存在下生成丙烯腈（C3H3N）和副产物***（C3H4O）的热化学方程式如下：

①C3H6(g)+NH3(g)+3/2O2(g)=C3H3N(g)+3H2O(g) △H= - 515 kJ·mol-1

②C3H6(g)+O2(g)=C3H4O(g)+H2O(g) △H= - 353 kJ·mol-1

图(a)为丙烯腈产率与反应温度的关系曲线，最高产率对应的温度为460℃．低于460℃时，丙烯腈的产率____(填“是”或“不是”)对应温度下的平衡产率，判断理由是_________________；高于460℃时，丙烯腈的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、副产物增多

D、反应活化能增大

分析：此反应是放热反应温度升高平衡左移，转化率应该降低，低于460℃时产率增大，因此此时没有达到平衡状态。而催化剂有一个最适温度，也就是说在460℃时催化剂活性最高，此时转化率最高。这个最高点不能说明达到平衡状态。高于460℃时，转化率可能降低的原因是催化剂活性降低了，同时选择性也降低了，生成的副产物增多了。

答案：不是、该反应为放热反应，平衡产率应随温度升高而降低      AC

三、反思

最近几年有关化学反应原理的试题越来越接近实际生产，都是以实际出发作为命题的素材，因此我们在备考的过程中应该理论联系实际，才能对试题有充分的理解。

今天我们主要解释了产率与转化率的关系，催化剂能否改变转化率的问题。

四、解答

前两天有老师在教师交流群中问了一道2019年江苏卷的高考题，你能否用今天的观点解释一下此图的意义。

在恒压、NO和O2的起始浓度一定的条件下，催化反应相同时间，测得不同温度下NO转化为NO2的转化率如图中实线所示(图中虚线表示相同条件下NO的平衡转化率随温度的变化)。下列说法正确的是（  BD）

A．反应2NO(g)+O2(g)==2NO2(g)的ΔH>0

B．图中X点所示条件下，延长反应时间能提高NO转化率

C．图中Y点所示条件下，增加O2的浓度不能提高NO转化率

D．380℃下，c起始(O2)=5.0×10−4 mol·L−1，NO平衡转化率为50%，则平衡常数K>2000

【解析】A.随温度升高NO的转化率先升高后降低：说明温度较低时反应较慢：一段时间内并未达到平衡：

分析温度较高时，已达到平衡时的NO转化率可知，温度越高NO转化率越低：说明温度升高平衡向逆方向移动：根据勒夏特列原理分析该反应为放热反应：△H＜0， 故A错误；

B.根据上述分析，X点时：反应还未到达平衡状态，反应正向进行，所以延长反应时间能提高NO的转化率，故B正确；

C.Y点：反应已经达到平衡状态：此时增加O：的浓度，使得正反应速率大于逆反应速率，平衡向正反应方向移动，可以提高NO的转化率，故C错误；

D.设NO起始浓度为amol/L， NO的转化率为50%：则平衡时NO、O2和NO2的浓度分别为0.5amol/L、(5×10^-4 - 0.25a) molL、0.5amolL， 根据平衡常数表达式：

思路：实线的最高点代表着此时催化剂的活性最高，转化率最高但此时并不能说明是平衡点。

五、总结

假设所分析的化学反应是放热反应。

(1)纵坐标为转化率横坐标为温度的图像

1.如果此反应不涉及催化剂，此图像中的最高点(包括之后的点)平衡状态。之前没有达到平衡。达到平衡状态之前速率是主要因素温度越高，反应速率快，生成的物质就越多，转化率变大。达到平衡之后，反应限度为主要因素，温度越高转化率越低。

2.如果此图像涉及催化剂，最高点只代表催化剂的活性最大，此点不能代表平衡点。

(2)纵坐标为产率横坐标为温度

此图前半部分产率增大的主要原因是：温度升高反应速率加快产率变大。

后半部分产率变小的原因有可能是：

1.温度升高，平衡逆方向移动；

2.催化剂的活性降低；

3.催化剂的选择性降低了生成了更多的副产物。

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