例析“平行反應”和“連續反應”的模型構建

□李海霞

2021年高考河北化學卷第13題和2022年河北化學卷第13題，分別以“平行反應”和“連續反應”為情境，考查了化學反應原理的相關知識，題目難度較大。考慮到近些年各省多以“平行反應”和“連續反應”的平衡體系為情境，筆者整理了“平行反應”和“連續反應”與高中所學密切相關的知識，并對河北卷的這兩道題進行了解析，以期幫助大家形成解答這類題的思維模型。

一、平行反應

1.平行反應的概念及特點

平行反應是反應物同時平行地進行兩個或兩個以上不同的反應。

平行反應是同時開始、獨立進行的，且每個反應的速率由各自的速率常數決定，而速率常數和溫度有關，所以相同條件下，兩個反應的速率之比等于速率常數的比，是定值。

2.平行反應各反應的選擇性問題分析

反應的選擇性即在多平衡體系中，某反應中原料反應的量占總反應量的百分比，比值越大則該反應的選擇性越大。以2021年河北卷13題中兩個平行反應為例：

反應①：M+N=X+Y 活化能為Ea1速率常數為k1

反應②：M+N=X+Z 活化能為Ea2速率常數為k2

如果Ea1＜Ea2，則反應①的速率快，如想獲得更多的Y，應縮短反應的時間，因為反應①速率快，相同時間內相比Z會生成更多的Y，使反應①的選擇性更高。

如想獲得更多的Z，由于反應②的活化能比較高，根據阿倫尼烏斯公式：，升高溫度，活化能較大的反應速率升高更快，所以可以升高體系溫度，使其速率更快，以獲得更多的Z。以上只是從速率角度考慮，如果該反應為放熱反應，升高溫度使平衡逆向移動，反而降低了Z的量，所以應該縮短反應的時間，在反應達到平衡之前停止反應。

當然，選擇合適的催化劑，降低反應②的活化能，使其反應速率更快，且達平衡之前結束反應，也可以獲得更多的Z。

3.平行反應知識的應用

2021年河北卷13題，以平行反應為情境，考查了反應速率、濃度、轉化率、活化能的比較等知識。

室溫下， 某溶液初始時僅溶有M 和N且濃度相等， 同時發生以下兩個反應：①M+N=X+Y；②M+N=X+Z，反應①的速率可表示為v1=k1c2(M)，反應②的速率可表示為v2=k2c2(M)(k1、k2為速率常數)。反應體系中組分M、Z的濃度隨時間變化情況如圖1，下列說法錯誤的是（ ）

圖1

A.0～30min時間段內，Y的平均反應速率為6.67×10-8mol·L-1·min-1

B.反應開始后，體系中Y和Z的濃度之比保持不變

C.如果反應能進行到底，反應結束時62.5%的M轉化為Z

D.反應①的活化能比反應②的活化能大

結合上述平行反應相關知識，解析如下：A項：0～30min內，c(M)下降0.2mol/L，因為M消耗生成Y和Z，且計量數之比為1。0～30min內生成Z：0.125mol/L，則生成Y：0.075mol/L，其反應速率為0.075/30=2.5×10-3mol/(L·min)，A錯誤；B項：反應①和反應②的速率均由各自的速率常數決定，溫度不變速率常數不變，所以相同時間內生成Y和Z的量的比值保持不變，即二者濃度比保持不變，B正確；C項：由圖中數據可知，當有0.2mol/L M發生反應時，生成Z 0.125mol/L，因為溫度不變速率常數不變，即生成Y和Z的速率比一定，所以無論反應進行中還是反應結束，生成Z所占原料的比例不變，為：0.125/0.2=0.0625，C正確；D項：由圖像數據可知，相同時間內生成Z的量更多，即反應速率快，所以反應②的活化能小，D正確。

二、連續反應

1.連續反應的概念及特點

連續反應是經過連續幾步完成的，前一步的生成物是下一步的反應物，連續進行的反應。表示形式為：①A=B ②B=C

各物質濃度隨時間的變化曲線為：

中間產物B的濃度在反應過程中有一個極大值，是連續反應的典型特征。

2.連續反應不同階段分析

若：①A=B 活化能Ea1速率常數k1

②B=C 活化能Ea2速率常數k2

在反應開始進行的前期，A的濃度較大，生成B的速率較快，同時第二步反應因為c(B)＜c(A)，則反應速率比較慢，所以生成B的速率大于消耗B的速率，此階段c(B)增大；隨著反應進行，A的濃度減小，生成B的速率減慢，由于c(B)增大，所以生成C的速率增大，此階段B的生成速率小于消耗速率，B的濃度降低；當B的消耗速率等于生成速率時，B濃度達到最大值。

兩步反應速率常數大小關系不同（活化能不同），其曲線有所不同，如下圖所示：

以上圖像的曲線變化趨勢相同，但中間產物最大值和中間產物在增大過程中的反應速率不同。這與兩個反應的速率常數大小不同（活化能不同）有關。

如果Ea1＜＜Ea2，則k1＞k2，則A 生成B 的速率快，B生成C的速率較慢，B可以在短時間內積累到較大量，所以想獲得更多的B應縮短反應時間，短時間內結束反應；若想獲得更多的C則需延長反應時間。

如果Ea1＞＞Ea2，則k1＜k2，第二個反應比較快，生成的B快速轉化為C，第一個反應生成B的速率與第二個反應消耗B的速率相差不大，即B還沒來得及積累太多就被消耗，那么B的最大濃度值比較小，峰較低。

3.連續反應知識的應用

2022年河北卷13題，以連續反應為情境，考查了反應速率及產率影響因素、活化能等知識。

恒溫恒容條件下，向密閉容器中加入一定量X，發生反應的方程式為①X=Y；②Y=Z。反應①的速率v1=k1c(X)，反應②的速率v2=k2c(Y)，式中k1、k2為速率常數。圖a為該體系中X、Y、Z濃度隨時間變化的曲線，圖b為反應①和②的lnk～曲線。下列說法錯誤的是（ ）

A.隨c(X)的減小，反應①、②的速率均降低

B.體系中v(X)=v(Y)+v(Z)

C.欲提高Y的產率，需提高反應溫度且控制反應時間

D.溫度低于T1時，總反應速率由反應②決定

結合上述連續反應的知識，解析如下：A項：c(X)下降的過程中，反應①的速率降低，反應②在c(X)下降的過程中有一段時間c(Y)上升，所以反應②速率增大，A錯誤；B項：反應計量數都為1，一段時間內X消耗的量等于生成Y和Z量的和，所以v(X)=v(Y)+v(Z)，B正確；C項：由圖b可知隨溫度的變化反應②的lnk變化較大，所以反應②的活化能大，升高溫度反應②速率增大的更多，所以想獲得更多的Y，應縮短反應時間，且不宜升溫，C錯誤；D項：反應②的活化能較大，反應速率慢，為決速步驟，D正確。

無論是“平行反應”還是“連續反應”，都須具備分析復雜反應體系的“動力學”視角（反應進行的快慢）和“熱力學”視角（反應進行的程度）。如果是速率問題，需結合溫度、濃度、壓強、催化劑、活化能等具體條件分析；如果是反應程度問題，則需結合平衡移動的影響因素溫度、壓強、濃度分析。而實際生產中追求的是提高主反應的選擇性，往往以提高反應速率為主要途徑。

通過對上述知識和解題過程的梳理，可以更深入地剖析其他類似試題，高屋建瓴，形成思維模型。