化学教学中有关产率、利用率、转化率的一些问题

2016-07-04 10:43阅读：

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化学教学中有关产率、利用率、转化率的一些问题
在某个化学制备实验或独立的化工生产过程中，总会有反应进行不完全，或有副反应发生，或物质转移中有损耗，之类的情况发生。这都会导致，所得生成物的量要比理论量少，而实际的原料用量则比理论用量要更高。为把这个实际进行的反应和理论反应吻合的程度表示出来，在化学中引入了产率和利用率的概念。
此外，针对典型可逆反应最终达平衡时，体系中的反应物可能会有显著量的剩余，还引入了转化率的概念。
这几个概念并不复杂，也没有什么不好理解的地方。但在化学教学中，其定义及使用还是有一些不尽如人意的地方。
一、产率和利用率的定义
可能是由于这两个概念过于浅显，在化学教材中（本文所指的教材均为1980年使用的中学化学教材）没有对产率及利用率进行过定义。
但是，在一些化学复习资料中，却有诸如下面这些的、彼此间还有着些许差别的定义式。
定义一（资料名称略去）

，

……（1）
定义二（资料名称也略去）

，

……（2）
可以很容易地看出在利用率定义上的这种表述形式上的差别。其中是否有什么问题呢？应该从定量描述某化学过程的进行，究竟要涉及到哪些物理量，来开始这个讨论。
定量讨论某一个化学制备实验，或一个独立的化工生产过程时，人们最为关切并可以直接测量到的一般都有两个量，一个是“投料量”，一个是“产出量”。它们本身就都是能被实测出来的。给这两个词再加上一个定语，称为“实际投料量”和“实际产量”，这本身就有繁琐之嫌。
为衡量某个化学制备过程的效率，可以从两个不同的角度来进行观察。即，从投料量角度，或从产出量的角度，来审视和度量这个化学过程。但，无论从哪个角度来进行观察，都要借助于化学反应方程式，来进行一个有一定理论味道的计算。
从产出量角度来看问题，只有所谓的“实际产量”还不够，还需依据化学反应方程式中两物种的化学计量系数比。用“投料量”计算出来一个所谓的“理论产量”。这样就可以用“

”，来反映该制备过程的效率了。
看来，大家对这一点没有异议。因为，理论产量指的就是计算出来的，并且只能根据投料量来进行这个计算。
如果从反应方程式另一端投料量的角度来看问题，当然只有“实际投料量”也是不够的，还要据“产出量”计算出一个仅有理论意义的“投料量”才行。
对这个理论“投料量”概念的命名，则有较大的分歧了。
定义一主张在“投料量”前加两个前缀成“实际参加反应的原料量”。这并不很合适。其中的“实际”有淡化这个数据“理论意义”的嫌疑。并使其分母中的“所加入的原料量”有不“实际”了的感觉。“参加反应”则更是给人以，原料只要参加了反应就是被利用了的印象，而忽略了副产物的可能存在，及产物有被不完全回收的可能。这种说法不但缺乏对化学制备及化工生产过程特点的基本了解，还造成“原料的利用率低，就是它没有完全参加反应”这样的假象。
定义二的“原料理论消耗量”中的理论两字加的还可以，但是“消耗”又有了“实际”的意味。且有原料最终还有剩余（未被消耗掉）的感觉。
其实，只要能强调出这两个由计算得到的数据有一定的理论意义，并冠以“理论”，也就完全可以了。
这样就有：

，

。
两者都是由一个“实际量”及一个“理论量”构成的比值。形式上对仗，也更容易被理解与记忆。
其实，这两个定义还有进一步简化的可能，可以被表述的更清楚一些。以往的各种表述方法的共同缺点在于过分强调了“理论”这个有相当分量的词。这样也只好在另一个词前再冠以“实际”了。
如果用更具体的“计算”或“折合”来替代“理论”这个词，而如实地指出它们只仅一个由比例计算得到的有抽象意味的物理量，还可以将反应效率的表述形式写得更简洁一些。而有

，

……（3）
其中的折合产量是据投料量，由方程式计算出来的，一个与投料量相当的数值。折合原料量则是据产出量，由方程式计算出来的，一个与产出量相当的数值。
这个表述形式更简单，且更能反映出这些概念的本质。
二、平衡转化率的定义
在化学平衡计算的教学中，教材引入了一个与反应物有关的转化率概念。并给出了定义式（在现行教材中仍有这个式子），

……（4）
严格的说，由于这个式（4）中有平衡浓度项，所以这个转化率应该被叫做“平衡转化率”。考虑到“指定反应物”也没有必要反复给出。而写为，

，这样才更合适一些。
不难看出，这个式（4）对溶液反应是适用的。对气相的化学反应则面临着要判定其适用性的问题。即，对反应前后气态物质的体积没有变化、或是在密闭容器中进行的反应才适用。而对反应前后气体体积不等的反应，并不能适用。
关于平衡转化率的更一般的、适用性更广的式子应该是

……（5）
式（5）中的“量”可以是物质的量，也可以是质量。在体系的体积不变的情况下，由式（5）也可以很容易地导出式（4）。
在这节教材的例题3中（现行教材中也仍然有这个题），求CO转化为CO₂的转化率，实际上就是用式（5）来进行计算的。而根本没有涉及式（4）中的浓度问题。也说明了式（5）比式（4），有更强的通用性。
三、产率、利用率与转化率之间的关系
从观察问题的角度不同来看，产率要更侧重于化学反应的产物端。而利用率与转化率则都侧重于化学反应的反应物端。这就容易在使用中造成，利用率与转化率概念的混淆与替代。
如，在教材“胺、酰胺”一节有一个用硝基苯制苯胺的计算习题。其中就有“硝基苯的转化率为70%”（指转化为苯胺），这样的表述。考虑到催化加氢法的产率实际上可高达98-99%。该反应并不是一个典型的可逆反应。所以，题目所给的“转化率为70%”数据，除了便于学生计算外，其真实含义是硝基苯的利用率，而不是其平衡转化率。
由于转化率指的是某种原料在进行某个特定反应时的百分比。当某反应物在反应后能同时得到多种反应产物时（在有机化学反应中常有这样的情况），其转化率的含义会更为复杂。如，苯酚的一元硝基取代物虽有三种（邻位、间位、对位）。而苯酚在某条件下的具体硝化反应中，大部分生成的是邻位与对位一元取代产物，且邻位的约占40%，对位的约占60%。在这种情况下苯酚的转化率就会有三种不同的含义。应分别称为，苯酚转化为对硝基苯的转化率，苯酚转化为邻硝基苯的转化率，苯酚转化为一元硝基苯的转化率。
这三个所谓的转化率不但定义起来麻烦，写起来也很繁琐。这都是因为看问题的角度不合适而造成的。如果避开矛盾的交集点，而从产物端来看问题，就都是产率了。诸如对硝基苯的产率，邻硝基苯的产率，一元硝基苯的产率，是不是就简单多了。
在化学教学中，应限制“转化率”概念的滥用。对涉及可逆反应并用到化学平衡常数计算的化学过程，可以使用转化率的概念。而对没有用到化学平衡常数计算的化学过程，就不要使用转化率这个词了。即，应规定，转化率指的只能是平衡转化率。
对一个实际的化学制备过程来说，其产率与原料利用率间的关系则是极为简单的，即两者在数值上相等。
用其最简洁的表达式（3），就可以很容易地推导出这个关系。
因为，对产出量来说，其对应的折合产量是由投料量乘以某一个系数a，而得到的。而对投料量来说，其折合原料量要由产出量除以同一个系数a来得到。这样，用分数的形式，产率就可被表示为，

。
这个式子说明，无论从反应的那一端来看问题，反应效率都有同样的数值。
四、有关理论产率的问题
在教材“乙酸”一节的习题4为“用30克乙酸和46克乙醇反应。如果实际产率是理论产率的85%，可以得到多少克乙酸乙酯”?在这里实际上是提出了“理论产率”，这样的一个新概念。
教师与学生对这个“理论产率”，却有两种不同的解读。
主流观点是：所谓理论产率，就是将定义“

”中的“实际产量”用“理论产量”替换后的产率，这样的“理论产率”就是100%的意思。而“实际产率是理论产率的85%”，就是“实际产率=100%×85%=85%”。
但是，他们列出这个式子并计算出结果后也似乎明白了。产率只有一种，根本就不应该有“实际”与“理论”之分。
教材有意将“理论产量”这种最直观且准确的说法，偷换成“理论产率”。只是为了迷惑学生，而不惜造成概念的上的重复与混乱。
而还有一部分学生则认为：考虑到这是一个典型的可逆反应（在其制备时必须要考虑到产物与原料的分离），所以“理论产率”就是转化率的意思。于是，去查找或要求教师提供出这个“转化率”的具体数值。对这种连反应条件都不清楚的“转化率”，当然最终也只能是不置可否。只能认为是教材编写者遗漏了理论产率的具体数值。
其实，如果教材能将“理论产率”改成转化率，并给出一个转化率的具体数值，加上条件“如果实际产率是转化率的85%”这个题也还是一个不错的有关转化率与产率计算的练习。
五、在化学方程式计算中这些概念的使用
当转化率与平衡常数的计算结合起来时，处理过程当然要复杂一些。在这里也不打算讨论这些内容。
当将转化率用于化学方程式的计算时，只要转化率与利用率所关联的物质种类相同，就可以将两者来等同看待。即，两个概念可相互替代，且数值上相等。
由于，利用率与产率也有等价的关系，这样在有关化学方程式的计算中，可以不去拘泥于定义的细节，而将利用率、产率、转化率，一起作为物质有效使用的百分率来对待。
这样在考虑问题及表述时，就更为方便了。
如，教材“硝酸工业制法”一节的习题3“氨氧化制硝酸时，如果由氨制成一氧化氮的产率是96%

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