题目内容

2．乙苯催化脱氢制苯乙烯反应：
$\stackrel{催化剂}{?}$=CH2（g）+H2（g）
（1）已知：
化学键C-HC-CC=CH-H
键能/kJ•molˉ1412348612436
计算上述反应的△H=+124KJ•mol-1．
（2）维持体系总压强p恒定，在温度T时，物质的量为n、体积为V的乙苯蒸汽发生催化脱氢反应．已知乙苯的平衡转化率为α，则在该温度下反应的平衡常数Kp=$\frac{n{α}^{2}}{（1-{α}^{2}）V}$（用α等符号表示）．
（3）工业上，通常在乙苯蒸气中掺混水蒸气（原料气中乙苯和水蒸气的物质的量之比为1：9），控制反应温度600℃，并保持体系总压为常压的条件下进行反应．在不同反应温度下，乙苯的平衡转化率和某催化剂作用下苯乙烯的选择性（指除了H2以外的产物中苯乙烯的物质的量分数）示意图如图：
①掺入水蒸气能提高乙苯的平衡转化率，解释说明该事实正反应为气体分子数增大的反应，保持压强不变，加入水蒸气，容器体积应增大，等效为降低压强，平衡向正反应方向移动．
②控制反应温度为600℃的理由是600℃时乙苯的转化率与苯乙烯的选择性均较高，温度过低，反应速率较慢，转化率较低，温度过高，选择性下降，高温下可能失催化剂失去活性，且消耗能量较大．
（4）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有利用CO2资源利用．

分析 （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；
（2）参加反应的乙苯为nα mol，则：
?+H2
开始（mol）：n 0 0
转化（mol）：nα nα nα
平衡（mol）：n（1-α） nα nα
维持体系总压强p恒定，在温度T时，由PV=nRT可知，混合气体总浓度不变，设反应后的体积为V′，则$\frac{n（1-α）+nα+nα}{{V}^{'}}$=$\frac{n}{V}$，故V′=（1+α）V，再根据平衡常数表达式K=$\frac{c（苯乙酸）c（{H}_{2}）}{c（乙苯）}$计算解答；
（3）①保持压强不变，加入水蒸气，容器体积应增大，等效为降低压强，平衡向气体体积增大的方向移动；
②600℃时乙苯的转化率与苯乙烯的选择性均较高；结合温度对乙苯转化率、苯乙烯选择性、温度对反应速率与催化剂的影响及消耗能量等，分析控制反应温度为600℃的理由；
（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；
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）物质的量为n、体积为V的乙苯蒸气发生催化脱氢反应
参加反应的乙苯为nα mol，则：
?+H2
开始（mol）：n 0 0
转化（mol）：nα nα nα
平衡（mol）：n（1-α） nα nα
维持体系总压强p恒定，在温度T时，由PV=nRT可知，混合气体总浓度不变，设反应后的体积为V′，$\frac{n（1-α）+nα+nα}{{V}^{'}}$=$\frac{n}{V}$，故V′=（1+α）V，K=$\frac{c（苯乙酸）c（{H}_{2}）}{c（乙苯）}$，故V′=（1+α）V，则K=$\frac{\frac{nα}{（1+α）V}×\frac{nα}{（1+α）V}}{\frac{n（1-α）}{（1+α）V}}$=$\frac{n{α}^{2}}{（1-{α}^{2}）V}$，
故答案为：$\frac{n{α}^{2}}{（1-{α}^{2}）V}$；
（3）①正反应为气体分子数增大的反应，保持压强不变，加入水蒸气，容器体积应增大，等效为降低压强，平衡向正反应方向移动，提高乙苯的平衡转化率，
故答案为：正反应为气体分子数增大的反应，保持压强不变，加入水蒸气，容器体积应增大，等效为降低压强，平衡向正反应方向移动；
②600℃时乙苯的转化率与苯乙烯的选择性均较高，温度过低，反应速率较慢，转化率较低，温度过高，选择性下降，高温下可能失催化剂失去活性，且消耗能量较大，故选择600℃左右，
故答案为：600℃时乙苯的转化率与苯乙烯的选择性均较高，温度过低，反应速率较慢，转化率较低，温度过高，选择性下降，高温下可能失催化剂失去活性，且消耗能量较大；
（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，
故选：①②③④．

点评 本题以苯乙烯制备为载体考查反应热的计算、化学平衡常数计算、化学平衡影响因素等知识点，为高频考点，注意：（1）中认为苯环存在单双键交替形式不影响计算结构；（2）中平衡常数计算为易错点、难点，注意温度、压强不变，容器的体积发生变化，学生容易认为容器的体积不变，题目难度较大．

练习册系列答案
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15．对于反应X=2Y，△H=66.88kJ/mol，逆反应活化能为23.00kJ/mol．计算：
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（2）已知0℃时，k1=1.60×10-3min-1，45℃时k2=？
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10．汽车上的催化转化器可将尾气中的主要污染物转化成无毒物质，反应为：2NO（g）+2CO（g）?N2（g）+2CO2（g）△H=-Q kJ/mol（Q＞0）实验模拟催化转换器，恒温恒压时用气体传感器测得不同时刻NO和CO的浓度如下表：
时间/s02345
c（NO）/10-3 mol•L-11.000.250.160.100.10
c（CO）/10-3 mo l•L-13.602.852.762.702.70
经分析，得出的下列结论正确的是（　　）
A．0～2 s间的平均反应速率v（NO）=3.75×10-3mol/（L•s）
B．催化转化器对废气的转化速率在冬季时比夏季时高
C．选用更有效的催化剂可以提高污染物的转化率
D．该温度下，此反应的平衡常数K=5.0×103
17．恒温下，在容积为2L的甲、乙两个恒容密闭容器中分别充入H2和I2发生可逆反应：
I2（g）+H2（g）═2HI（g）△H=-QkJ•mol-1，实验时有关数据如表：
容器编号起始物质的量/mol4分钟后平衡时的物质的量/mol平衡时放出的热量/kJ
I2H2HI
甲0.010.010.004Q1
乙0.020.02aQ2
下列判断正确的是（　　）
A．甲容器中，4分钟内氢气的反应速率为5.0×10-4 mol•L-1•min-1
B．平衡时，放出的热量为：Q1=4.0×10-3Q kJ
C．平衡后，a=8.0×10-3mol，故乙中HI的质量分数比甲中高
D．该温度下，该反应的平衡常数K=0.25
7．在一定条件下，容积为2L的密闭容器中，将2mol M气体和3mol N气体混合发生下列反应2M（g）+3N（g）?xQ（g）+3R（g），该反应达到平衡时生成2.4mol R，并测得Q浓度为0.4mol/L，下列叙述正确的是（　　）
A．x值为1B．混合气体的密度增大
C．平衡时N的浓度为 0.6 mol/LD．N的转化率为80%
14．甲苯（）是一种重要的化工原料，能用于生产苯甲醛（）、苯甲酸（）等产品．下表列出了有关物质的部分物理性质，请回答：
称性状熔点（℃）沸点（℃）相对密度（ρ水=1g/cm3）溶解性
水乙醇
甲苯无色液体易燃易挥发-95 110.60.8660不溶互溶
苯甲醛 无色液体-261791.0440微溶互溶
苯甲酸 白色片状或针状晶体122.12491.2659微溶易溶
注：甲苯、苯甲醛、苯甲酸三者互溶；   酸性：苯甲酸＞醋酸
实验室可用如图装置模拟制备苯甲醛．实验时先在三颈瓶中加入0.5g固态难溶性催化剂，再加入15mL冰醋酸和2mL甲苯，搅拌升温至70℃，同时缓慢加入12mL过氧化氢，在此温度下搅拌反应3小时．
（1）装置a的名称是球形冷凝管，主要作用是冷凝回流，防止甲苯的挥发而降低产品产率．三颈瓶中发生反应的化学方程式为，此反应的原子利用率理论上可达66.25%．
（2）经测定，反应温度升高时，甲苯的转化率逐渐增大，但温度过高时，苯甲醛的产量却有所减少，可能的原因是H2O2在较高温度时分解速度加快，使实际参加反应的H2O2减少，影响产量．
（3）反应完毕后，反应混合液经过自然冷却至室温时，还应经过过滤、蒸馏（填操作名称）等操作，才能得到苯甲醛粗产品．
（4）实验中加入过量的过氧化氢并延长反应时间时，会使苯甲醛产品中产生较多的苯甲酸．
①若想从混有苯甲酸的苯甲醛中分离出苯甲酸，正确的操作步骤是dacb（按步骤顺序填字母）．
a．对混合液进行分液                 b．过滤、洗涤、干燥
c．水层中加人盐酸调节pH=2         d．与适量碳酸氢钠溶液混合震荡
②若对实验①中获得的苯甲酸产品进行纯度测定，可称取1.200g产品，溶于100mL乙醇配成溶液，量取所得的乙醇溶液20.00mL于锥形瓶，滴加2～3滴酚酞指示剂，然后用预先配好的0.1000moL/L KOH标准液滴定，到达滴定终点时消耗KOH溶液18.00mL．产品中苯甲酸的质量分数为91.50%．
③下列情况会使测定结果偏低的是ad（填字母）．
a．滴定终点时俯视读取耗碱量             b．KOH标准液长时间接触空气
c．配置KOH标准液时仰视定容            d．将酚酞指示剂换为甲基橙溶液．
11．气相直接水合法制乙醇的方程式为：C2H4 （g）+H2O（g）═C2H5OH（g），其中乙烯的平衡转化率与温度、压强的关系如图[起始n（H2O）：n（C2H4）=1：1．

计算乙烯水合制乙醇反应在图中A点的平衡常数KP为（用平衡分压代替平衡浓度计算，分压=总压×物质的量分数）（　　）
A．0.068 MPa-1B．0.082C．0.072 MPa-1D．0.082 MPa-1
12．下列说法不正确的是（　　）
A．钠、钾着火时，不能用泡沫灭火器灭火
B．氧化铝是冶炼金属铝的原料，也是较好的耐火材料
C．石英是制造光导纤维的原料，也是常用的半导体材料
D．在汽车尾气系统中装催化转化器，可降低尾气中CO、NOx等的排放量

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