Question

3．乙苯催化脫氫生產(chǎn)苯乙烯的反應(yīng)：
（1）已知：

化學(xué)鍵	C-H	C-C	C=C	H-H
鍵能/kJ•molˉ1	412	348	612	436

計(jì)算上述反應(yīng)的△H=+124 kJ•mol^-1．
（2）一定溫度下，將a mol乙苯加入體積為V L的密閉容器中，發(fā)生上述反應(yīng)，反應(yīng)時(shí)間與容器內(nèi)氣體總壓強(qiáng)的數(shù)據(jù)如下表．

時(shí)間/min	0	10	20	30	40
總壓強(qiáng)/100kPa	1.0	1.2	1.3	1.4	1.4

①平衡時(shí)，容器中氣體物質(zhì)的量總和為1.4amol，乙苯的轉(zhuǎn)化率為40%．
②計(jì)算此溫度下該反應(yīng)的平衡常數(shù)K$\frac{4a}{15V}$．
（3）實(shí)際生產(chǎn)時(shí)反應(yīng)在常壓下進(jìn)行，且向乙苯蒸氣中摻入水蒸氣，利用熱力學(xué)數(shù)據(jù)計(jì)算得到溫度和投料比M對(duì)乙苯平衡轉(zhuǎn)化率的影響可用右圖表示．[M=n（H₂O）/n（乙苯）]
①比較圖中A、B兩點(diǎn)對(duì)應(yīng)的平衡常數(shù)大�。篕_A＜K_B
②圖中投料比（M₁、M₂、M₃）的大小順序?yàn)镸₁＞M₂＞M₃．
③某研究機(jī)構(gòu)用CO₂代替水蒸氣開(kāi)發(fā)了綠色化學(xué)合成工藝--乙苯-二氧化碳耦合催化脫氫制苯乙烯．保持常壓和原料氣比例不變，與摻水蒸汽工藝相比，在相同的生產(chǎn)效率下，可降低操作溫度；該工藝中還能夠發(fā)生反應(yīng)：CO₂+H₂=CO+H₂O，CO₂+C=2CO．新工藝的特點(diǎn)有①②③④（填編號(hào)）．
①CO₂與H₂反應(yīng)，使乙苯脫氫反應(yīng)的化學(xué)平衡右移
②不用高溫水蒸氣，可降低能量消耗
③有利于減少積炭
④有利于CO₂資源利用．

Answer 1

分析 （1）根據(jù)△H=反應(yīng)物總鍵能-生成物總鍵能，由有機(jī)物的結(jié)構(gòu)可知，應(yīng)是-CH₂CH₃中總鍵能與-CH=CH₂、H₂總鍵能之差，計(jì)算可得；
（2）①根據(jù)壓強(qiáng)與氣體物質(zhì)的量成正比確定反應(yīng)后氣體的總物質(zhì)的量；利用差量法計(jì)算出反應(yīng)消耗乙苯的物質(zhì)的量，然后計(jì)算出乙苯的轉(zhuǎn)化率；
②利用三段式計(jì)算出平衡時(shí)各組分的物質(zhì)的量，然后利用平衡常數(shù)表達(dá)式計(jì)算出該溫度下該反應(yīng)的平衡常數(shù)；
（3）①圖象分析可知，隨溫度升高，乙苯轉(zhuǎn)化率增大，說(shuō)明升溫平衡正向進(jìn)行，正反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，AB兩點(diǎn)B點(diǎn)溫度高；
②乙苯量越多，投料比越小，乙苯轉(zhuǎn)化率越小，據(jù)此分析判斷M的值；
③①CO₂與H₂反應(yīng)，導(dǎo)致氫氣濃度減低，有利于乙苯脫氫反應(yīng)的化學(xué)平衡右移；
②由題目信息可知，在保持常壓和原料氣比例不變，與摻水蒸汽工藝相比，在相同的生產(chǎn)效率下，可降低操作溫度，消耗的能量減少；
③由于會(huì)發(fā)生反應(yīng)CO₂+C═2CO，有利于減少積炭；
④CO₂代替水蒸氣，有利用CO₂資源利用．

解答 解：（1）反應(yīng)熱=反應(yīng)物總鍵能-生成物總能鍵能，由有機(jī)物的結(jié)構(gòu)可知，應(yīng)是-CH₂CH₃中總鍵能與-CH=CH₂、H₂總鍵能之差，故△H=（5×412+348-3×412-612-436）kJ•mol^-1=+124kJ•mol^-1；
故答案為：+124；
（2）①容器容積固定，則容器內(nèi)壓強(qiáng)與氣體的總物質(zhì)的量成正比，根據(jù)表中數(shù)據(jù)可知，達(dá)到平衡時(shí)壓強(qiáng)為反應(yīng)前的1.4倍，則平衡時(shí)氣體的總物質(zhì)的量為：amol×1.4=1.4amol；
平衡時(shí)氣體的物質(zhì)的量增大：1.4amol-amol=0.4amol，設(shè)有x mol 乙苯發(fā)生轉(zhuǎn)化，
△n
               1                                     1                   1       1
             xmol                                                              0.4amol
則：x=$\frac{0.4amol×1}{1}$=0.4amol，
所以乙苯的轉(zhuǎn)化率為：$\frac{0.4amol}{amol}$×100%=40%，
故答案為：1.4a；40%；
②發(fā)生反應(yīng)為
反應(yīng)前（mol）    a                                        0             0
轉(zhuǎn)化（mol）     0.4a                                    0.4a         0.4a
平衡時(shí)（mol）   0.6a                                  0.4a          0.4a
則該反應(yīng)的平衡常數(shù)為：K=$\frac{（0.4a÷V）•（0.4a÷V）}{（0.6a÷V）}$=$\frac{4a}{15V}$；
故答案為：$\frac{4a}{15V}$；
（3）①圖象分析可知，隨溫度升高，乙苯轉(zhuǎn)化率增大，說(shuō)明升溫平衡正向進(jìn)行，正反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，AB兩點(diǎn)B點(diǎn)溫度高，平衡正向進(jìn)行程度大，平衡常數(shù)B點(diǎn)大，K_A＜K_B，
故答案為：＜；
②乙苯量越多，投料比越小，乙苯轉(zhuǎn)化率越小，據(jù)此分析判斷M的值，M₁＞M₂＞M₃，
故答案為：M₁＞M₂＞M₃；
（4）①CO₂與H₂反應(yīng)，導(dǎo)致氫氣濃度減低，有利于乙苯脫氫反應(yīng)的化學(xué)平衡右移，故正確；
②由題目信息可知，在保持常壓和原料氣比例不變，與摻水蒸汽工藝相比，在相同的生產(chǎn)效率下，可降低操作溫度，消耗的能量減少，故正確；
③由于會(huì)發(fā)生反應(yīng)CO₂+C═2CO，有利于減少積炭，故正確；
④CO₂代替水蒸氣，有利用CO₂資源利用，故正確；
故答案為：①②③④．

點(diǎn)評(píng) 本題考查反應(yīng)熱計(jì)算、化學(xué)平衡常數(shù)計(jì)算、反應(yīng)速率及平衡移動(dòng)的影響因素、對(duì)條件控制的分析評(píng)價(jià)等，注意（1）中苯環(huán)不影響計(jì)算結(jié)構(gòu)、反應(yīng)熱有符號(hào)，學(xué)生易遺漏，注意掌握三段式在化學(xué)平衡的計(jì)算中的應(yīng)用方法，試題培養(yǎng)了學(xué)生的分析能力及化學(xué)計(jì)算能力，題目難度較大．