Question

3．乙醇是重要的有機化工原料，可由乙烯氣相直接水合成法或間接水合成法生產(chǎn)，回答下列問題：
（1）間接水合成法是指將乙烯與濃硫酸反應(yīng)生成硫酸氫乙酯C₂H₅OSO₃H），再水解成乙醇，寫出相應(yīng)的化學(xué)方程式C₂H₄+H₂SO₄=C₂H₅OSO₃H、C₂H₅OSO₃H+H₂O→C₂H₅OH+H₂SO₄；（2）已知：
甲醇脫水反應(yīng)2CH₃OH（g）=CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）?△H₁=-23.9kJ•mol-1
甲醇制烯烴反應(yīng)2CH₃OH（g）=C₂H₄ （g）+H₂O（g）?△H₂=-29.1kJ•mol-1
乙醇異構(gòu)化反應(yīng)2CH₃OH（g）=CH₃OCH₃（g））?△H₃=+50.7kJ•mol-1
則乙烯氣相直接水合反應(yīng)C₂H₄ （g）+H₂O（g）=C₂H₅OH（g）的△H=-45.5 kJ•mol-1．與間接水合法相比，氣相直接水合法的優(yōu)點是無副產(chǎn)品，原子利用率100%．
（3）圖為氣相直接水合法中乙烯的平衡轉(zhuǎn)化率與溫度、壓強的關(guān)系（其中${n}_{{H}_{2}O}$：${n}_{{{C}_{2}H}_{4}}$=1：1）．
①圖中壓強（P₁，P₂，P₃，P₄）大小順序為p₁＜p₂＜p₃＜p₄，理由是反應(yīng)分子數(shù)減少，相同溫度下，壓強升高乙烯轉(zhuǎn)化率提高；
②列式計算乙烯水合制乙醇反應(yīng)在圖中A點的平衡常數(shù)K_p=0.07（MPa）^-1（用平衡分壓代替平衡濃度計算，分壓=總壓×物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)）；
③氣相直接水合法常采用的工藝條件為：磷酸/硅藻土為催化劑，反應(yīng)溫度290℃，壓強6.9MPa，nH2O：nC2H4=0.6：1，乙烯的轉(zhuǎn)化率為5%，若要進(jìn)一步提高乙烯轉(zhuǎn)化率，除了可以適當(dāng)改變反應(yīng)溫度和壓強外，還可以采取的措施有將產(chǎn)物乙醇液化移去、增加nH₂O：nC₂H₄比．．

Answer 1

分析 （1）乙烯與濃硫酸反應(yīng)生成硫酸氫乙酯（C₂H₅OSO₃H），效仿乙酸乙酯水解，將水分成氫原子和羥基生成乙醇和硫酸；
（2）利用蓋斯定律構(gòu)造目標(biāo)熱化學(xué)方程式并求焓變，氣相直接水合法原子利用率100%；
（3）①列出Kp表達(dá)式，利用三段法計算平衡分壓帶入表達(dá)式計算即可；
②在相同溫度下由于乙烯轉(zhuǎn)化率為p₁＜p₂＜p₃＜p₄，由C₂H₄（g）+H₂O（g）═C₂H₅OH（g）可知正反應(yīng)為氣體體積減小的反應(yīng)，根據(jù)壓強對平衡移動的影響分析；
③若要進(jìn)一步提高乙烯轉(zhuǎn)化率，除了可以適當(dāng)改變反應(yīng)溫度和壓強外，還可以改變物質(zhì)的濃度．

解答 解：（1）乙烯與濃硫酸反應(yīng)生成硫酸氫乙酯（C₂H₅OSO₃H），化學(xué)方程式為C₂H₄+H₂SO₄=C₂H₅OSO₃H，硫酸氫乙酯水解生成乙醇和硫酸，化學(xué)方程式為：C₂H₅OSO₃H+H₂O→C₂H₅OH+H₂SO₄，
故答案為：C₂H₄+H₂SO₄=C₂H₅OSO₃H、C₂H₅OSO₃H+H₂O→C₂H₅OH+H₂SO₄；
（2）已知：甲醇脫水反應(yīng)  ①2CH₃OH（g）═CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H₁=-23.9kJ•mol^-1
甲醇制烯烴反應(yīng) ②2CH₃OH（g）═C₂H₄（g）+2H₂O（g）△H₂=-29.1kJ•mol^-1
乙醇異構(gòu)化反應(yīng) ③C₂H₅OH（g）═CH₃OCH₃（g）△H₃=+50.7kJ•mol^-1，
根據(jù)蓋斯定律①-②-③可得：C₂H₄（g）+H₂O（g）═C₂H₅OH（g）△H=（-23.9+29.1-50.7）kJ/mol=-45.5kJ/mol；
乙烯直接水化法中反應(yīng)物中所有原子全部都變成生成物，所以原子利用率100%，沒有副產(chǎn)品，
故答案為：-45.5；無副產(chǎn)品，原子利用率100%；
（3）①在相同溫度下由于乙烯轉(zhuǎn)化率為p₁＜p₂＜p₃＜p₄，由C₂H₄（g）+H₂O（g）═C₂H₅OH（g）可知正反應(yīng)為氣體體積減小的反應(yīng)，所以增大壓強，平衡正向移動，乙烯的轉(zhuǎn)化率提高，因此壓強關(guān)系是p₁＜p₂＜p₃＜p₄，
故答案為：p₁＜p₂＜p₃＜p₄；反應(yīng)分子數(shù)減少，相同溫度下，壓強升高乙烯轉(zhuǎn)化率提高；
②C₂H₄（g）+H₂O（g）═C₂H₅OH（g）
開始：1         1          0
轉(zhuǎn)化：0.2       0.2       0.2
平衡：0.8       0.8       0.2
乙醇占$\frac{0.2}{0.8+0.8+0.2}$=$\frac{1}{9}$，乙烯和水各占$\frac{0.8}{0.8+0.8+0.2}$=$\frac{4}{9}$，則乙醇的分壓為7.85MPa×$\frac{1}{9}$=0.87MPa，乙烯和水的分壓為7.85MPa×$\frac{4}{9}$=3.49MPa，
所以Kp=$\frac{p（C{\;}_{2}H{\;}_{5}OH）}{p（C{\;}_{2}H{\;}_{4}）•p（H{\;}_{2}O）}$=$\frac{0.87MPa}{3.49MPa×3.49MPa}$=0.07（MPa）^-1，
故答案為：0.07（MPa）^-1；
③若要進(jìn)一步提高乙烯轉(zhuǎn)化率，除了可以適當(dāng)改變反應(yīng)溫度和壓強外，還可以改變物質(zhì)的濃度，如從平衡體系中將產(chǎn)物乙醇分離出來，或增大水蒸氣的濃度，改變二者物質(zhì)的量的比等，
故答案為：將產(chǎn)物乙醇液化移去；增加nH₂O：nC₂H₄比．

點評 本題考查了化學(xué)方程式的書寫、壓強對平衡移動的影響、物質(zhì)制取方案的比較、反應(yīng)熱及平衡常數(shù)的計算等知識，綜合性非常強，該題是高考中的常見題型，屬于中等難度較大，側(cè)重于學(xué)生分析問題、解決問題、知識遷移能力的培養(yǎng)．