Question

3．乙苯催化脱氢生产苯乙烯的反应：
（1）已知：

化学键	C-H	C-C	C=C	H-H
键能/kJ•molˉ1	412	348	612	436

计算上述反应的△H=+124 kJ•mol^-1．
（2）一定温度下，将a mol乙苯加入体积为V L的密闭容器中，发生上述反应，反应时间与容器内气体总压强的数据如下表．

时间/min	0	10	20	30	40
总压强/100kPa	1.0	1.2	1.3	1.4	1.4

①平衡时，容器中气体物质的量总和为1.4amol，乙苯的转化率为40%．
②计算此温度下该反应的平衡常数K$\frac{4a}{15V}$．
（3）实际生产时反应在常压下进行，且向乙苯蒸气中掺入水蒸气，利用热力学数据计算得到温度和投料比M对乙苯平衡转化率的影响可用右图表示．[M=n（H₂O）/n（乙苯）]
①比较图中A、B两点对应的平衡常数大小：K_A＜K_B
②图中投料比（M₁、M₂、M₃）的大小顺序为M₁＞M₂＞M₃．
③某研究机构用CO₂代替水蒸气开发了绿色化学合成工艺--乙苯-二氧化碳耦合催化脱氢制苯乙烯．保持常压和原料气比例不变，与掺水蒸汽工艺相比，在相同的生产效率下，可降低操作温度；该工艺中还能够发生反应：CO₂+H₂=CO+H₂O，CO₂+C=2CO．新工艺的特点有①②③④（填编号）．
①CO₂与H₂反应，使乙苯脱氢反应的化学平衡右移
②不用高温水蒸气，可降低能量消耗
③有利于减少积炭
④有利于CO₂资源利用．

Answer 1

分析 （1）根据△H=反应物总键能-生成物总键能，由有机物的结构可知，应是-CH₂CH₃中总键能与-CH=CH₂、H₂总键能之差，计算可得；
（2）①根据压强与气体物质的量成正比确定反应后气体的总物质的量；利用差量法计算出反应消耗乙苯的物质的量，然后计算出乙苯的转化率；
②利用三段式计算出平衡时各组分的物质的量，然后利用平衡常数表达式计算出该温度下该反应的平衡常数；
（3）①图象分析可知，随温度升高，乙苯转化率增大，说明升温平衡正向进行，正反应为吸热反应，AB两点B点温度高；
②乙苯量越多，投料比越小，乙苯转化率越小，据此分析判断M的值；
③①CO₂与H₂反应，导致氢气浓度减低，有利于乙苯脱氢反应的化学平衡右移；
②由题目信息可知，在保持常压和原料气比例不变，与掺水蒸汽工艺相比，在相同的生产效率下，可降低操作温度，消耗的能量减少；
③由于会发生反应CO₂+C═2CO，有利于减少积炭；
④CO₂代替水蒸气，有利用CO₂资源利用．

解答 解：（1）反应热=反应物总键能-生成物总能键能，由有机物的结构可知，应是-CH₂CH₃中总键能与-CH=CH₂、H₂总键能之差，故△H=（5×412+348-3×412-612-436）kJ•mol^-1=+124kJ•mol^-1；
故答案为：+124；
（2）①容器容积固定，则容器内压强与气体的总物质的量成正比，根据表中数据可知，达到平衡时压强为反应前的1.4倍，则平衡时气体的总物质的量为：amol×1.4=1.4amol；
平衡时气体的物质的量增大：1.4amol-amol=0.4amol，设有x mol 乙苯发生转化，
△n
               1                                     1                   1       1
             xmol                                                              0.4amol
则：x=$\frac{0.4amol×1}{1}$=0.4amol，
所以乙苯的转化率为：$\frac{0.4amol}{amol}$×100%=40%，
故答案为：1.4a；40%；
②发生反应为
反应前（mol）    a                                        0             0
转化（mol）     0.4a                                    0.4a         0.4a
平衡时（mol）   0.6a                                  0.4a          0.4a
则该反应的平衡常数为：K=$\frac{（0.4a÷V）•（0.4a÷V）}{（0.6a÷V）}$=$\frac{4a}{15V}$；
故答案为：$\frac{4a}{15V}$；
（3）①图象分析可知，随温度升高，乙苯转化率增大，说明升温平衡正向进行，正反应为吸热反应，AB两点B点温度高，平衡正向进行程度大，平衡常数B点大，K_A＜K_B，
故答案为：＜；
②乙苯量越多，投料比越小，乙苯转化率越小，据此分析判断M的值，M₁＞M₂＞M₃，
故答案为：M₁＞M₂＞M₃；
（4）①CO₂与H₂反应，导致氢气浓度减低，有利于乙苯脱氢反应的化学平衡右移，故正确；
②由题目信息可知，在保持常压和原料气比例不变，与掺水蒸汽工艺相比，在相同的生产效率下，可降低操作温度，消耗的能量减少，故正确；
③由于会发生反应CO₂+C═2CO，有利于减少积炭，故正确；
④CO₂代替水蒸气，有利用CO₂资源利用，故正确；
故答案为：①②③④．

点评 本题考查反应热计算、化学平衡常数计算、反应速率及平衡移动的影响因素、对条件控制的分析评价等，注意（1）中苯环不影响计算结构、反应热有符号，学生易遗漏，注意掌握三段式在化学平衡的计算中的应用方法，试题培养了学生的分析能力及化学计算能力，题目难度较大．