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溫度參數在化工流程圖題中的教學拓展

2013-04-29 00:44:03蘇偉波
考試周刊 2013年52期
關鍵詞:催化化學平衡溫度

蘇偉波

摘 要: 高考中化學工業(yè)流程圖題是必考題,題目中信息往往會與溫度有關的問答,溫度作為一個條件參數,在中學中只要求做定性要求,因此掌握一定的經驗技巧,在解題中應用很廣泛。

關鍵詞: 溫度 催化 化學平衡

中學化學中,涉及與溫度有關的題型很多,主要集中在化工流程題中。因為溫度一般作為一個不變的參數,所以學生碰到此類題目相對比較棘手,失分很多。下面對中學中常見的與溫度有關的類型題作探討。

一、化學反應速率

反應速率與溫度成正比,溫度越高,反應速率越快,對于可逆反應會同時提高正逆反應速率。溫度每升高10℃,化學反應速率提高2~4倍。例如對于反應M+N=P,如果溫度每升高10℃化學反應速率增大為原來的3倍。在10℃時完成反應10%需81min,求在30℃時完成反應10%所需的時間。

二、化學平衡

溫度變化會引起化學平衡移動,因為反應會伴隨著熱量變化,溫度升高平衡會向吸熱的反應方向移動,反之亦然。溫度升高會促進水解和電離反應的進行,而且化學平衡常數只與溫度有關,特別是不同溫度下平衡常數,是近年來高考的熱點。題目中出現溫度時,一定要考慮與平衡常數的關系??梢詮臏囟扰c平衡常數的關系中得出反應進行的方向與反應熱的大小等,比如高爐煉鐵中發(fā)生的反應有:

(1)已知1100℃時,K=0.263溫度升高,平衡常數K?搖?搖 ?搖(增大,減少或不變);(2)1100℃時,測得高爐中c(CO )=0.025mol/L,c(CO)=0.1mol/L,在這種情況下,該反應是否處于平衡狀態(tài)?搖?搖 ?搖?搖(填是或否),此時反應速率是v正?搖 ?搖?搖v逆(填>,<,=)。

以上兩題都是溫度與化學平衡的完美結合。再比如,往含Ti 的溶液中鼓入高壓水蒸汽,可促進Ti 水解,加速Ti(OH) 生成,因為水蒸汽隱含條件溫度較高,促進水解。

三、溶解度

溶解度第一考慮的是氣體,一般水中溶解度隨溫度上升而下降,比如在制備Fe(OH) 時,所需蒸餾水必須煮沸除氧,氨水溶液中加熱可能直接逸出氨氣。再如海水中提取溴的過程中,往溴單質的水溶液中通空氣和水蒸汽,促進溴的揮發(fā)。其次是溶液,主要是結晶或重結晶的問題,有些物質的溶解度與溫度成正比,但也有成反比的,比如Ca(OH) 溶解度隨溫度的升高而下降,在題目中,經常會問到為何在溫度比較高時過濾等,主要是考慮溫度對溶解度的影響較大,應注意結合題意加以分析。例如往Li SO 濃溶液中加入飽和Na CO 溶液,加熱至95℃,再過濾得到Li CO 固體。已知Li CO 在水中的溶解度隨著溫度的升高而減小,最后一步過濾時應怎么操作?本題問得比較特殊,過濾操作的條件,溶解度隨溫度升高而減小,就是要盡可能保持顆粒狀,也就是要趁熱過濾。

四、物質揮發(fā)性

具有揮發(fā)性的物質不多,在工業(yè)流程題主要涉及是酸類,比較HCl、HNO 、氯水、氨水、溴水等物質,比如二氧化錳中加濃鹽酸為何不宜在較高溫度下反應,在考慮鹽酸的濃度時還要考慮鹽酸揮發(fā),導致變稀反應難以持續(xù)進行等。比如從海水中提取溴的蒸餾過程中,溴出口溫度為何要控制在80℃~90℃,溫度過高或過低都不利于生產,請解釋原因?因為溫度過高,大量水蒸氣排出,溴氣中水增加若溫度過低,溴不能完全蒸出,吸收率低。

五、物質不穩(wěn)定性

不穩(wěn)定性主要是物質的化學性質,常見為HNO 、H O 等,這些物質在較高溫度下都會發(fā)生分解,因此在高溫下都不適合這些物質的存在,對整個反應體系也會有影響。溶液硝酸酸化溫度太高會使得硝酸分解。

例:控制其他條件相同,印刷電路板的金屬粉末用10%H O 和3.0mol/LH SO 的混合溶液處理,測得不同溫度下銅的平均溶解速率如下:

當溫度高于40℃時,銅的平均溶解速率隨著反應溫度升高而下降,其主要原因是什么?比較在銅和硫酸、H O 存在下反應得到CuSO ,溫度高會提高反應速率,但同時也會造成H O 的分解速率加快,反而影響反應的進行。

六、催化劑的活性

中學化學中用到催化劑的方程不多,但一般方程中如果用到的催化劑與溫度有關,則基本要考慮到催化劑的活性溫度,在這個活性溫度下催化劑才能發(fā)揮出最佳的效果,比如合成氨中鐵觸媒的活性溫度基本選擇在500℃左右。再如用鉬鎳礦粉催化二氧化硫的實驗中,在0℃~195℃,隨著溫度的升高,生成物的產率隨之升高,鉬鎳礦粉催化劑的活性逐漸增強。195℃左右時,生成物產率最大,鉬鎳礦粉催化劑活性最高。溫度高于195℃,隨著溫度的升高,生成物的產率逐漸降低,鉬鎳礦粉催化劑的活性逐漸降低,最后因為高溫使其失去活性而無催化作用。

七、溶液冷卻

有些實驗操作需要等溶液冷卻下才能進行,比如一定物質的量濃度溶液的配制過程,在酸稀釋或堿溶液配制過程會放出熱量,要等冷卻才能轉移到容量瓶中。再如用量氣筒在測量氣體體積時往往要冷卻后再讀數,才不會出現誤差。若要往溶液加入鹽酸或硝酸酸化,則應先冷卻后再加入酸,避免揮發(fā)或分解。

八、反應條件

加熱、點燃、高溫、煅燒等都作為反應的條件,它們只是溫度不同,不過在試題中,最常見的控制溫度,比如某溶液蒸發(fā)濃縮需保持溫度在90℃~100℃,控制溫度實驗方法是什么?這里主要指的是水浴加熱,水浴加熱的優(yōu)點是便于控制溫度(100℃以下)與反應物受熱均勻。

現在高考中的無機方框推斷題已經逐漸被化工流程題所取代,因為后者更貼近工業(yè)生產,更能體現新課程理念,而化工流程題重在探究,重在考查學生分析與解決問題的能力,而溫度作為一種常用的實驗控制條件,值得我們探討與總結。

參考文獻:

[1]秦晉穎,鄒貴田.鉬鎳催化劑催化合成溴代正幸烷[J].貴陽學院生物與環(huán)境工程系.貴州貴陽.550005第3卷.第4期.2008年12月.

[2]李文波,毛鵬生.化工時刊.第6期.1998.

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