Question

10．乙苯催化脫氫制苯乙烯反應(yīng)如圖1：
（1）已知：

化學鍵	C-H	C-C	C═C	H-H
鍵能/kJ•mol-1	X	348	612	436

反應(yīng)的△H=+124kJ•mol^-1，X=412kJ•mol^-1．
（2）維持體系總壓強p恒定，在溫度T時，物質(zhì)的量為n、體積為V的乙苯蒸汽發(fā)生催化脫氫反應(yīng)．已知乙苯的平衡轉(zhuǎn)化率為α，則在該溫度下反應(yīng)的平衡常數(shù)K=$\frac{α{\;}^{2}}{（1-α{\;}^{2}）}p$（用α等符號表示），在平衡體系中充入氖氣反應(yīng)速率將減�。ㄌ睢霸龃蟆薄皽p小”“不變”）．
（3）工業(yè)上，通常在乙苯蒸氣中摻混水蒸氣（原料氣中乙苯和水蒸氣的物質(zhì)的量之比為1：9），控制反應(yīng)溫度600℃，并保持體系總壓為常壓的條件下進行反應(yīng)．在不同反應(yīng)溫度下，乙苯的平衡轉(zhuǎn)化率和某催化劑作用下苯乙烯的選擇性（指除了H₂以外的產(chǎn)物中苯乙烯的物質(zhì)的量分數(shù)）示意圖如圖1：
①摻入水蒸氣能提高乙苯的平衡轉(zhuǎn)化率，解釋說明該事實正反應(yīng)為氣體分子數(shù)增大的反應(yīng)，保持壓強不變，加入水蒸氣，容器體積應(yīng)增大，等效為降低壓強，平衡向正反應(yīng)方向移動．
②控制反應(yīng)溫度為600℃的理由是600℃時乙苯的轉(zhuǎn)化率與苯乙烯的選擇性均較高，溫度過低，反應(yīng)速率較慢，轉(zhuǎn)化率較低，溫度過高，選擇性下降，高溫下可能失催化劑失去活性，且消耗能量較大．
（4）某研究機構(gòu)用CO₂代替水蒸氣開發(fā)了綠色化學合成工藝--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．新工藝的特點有①②③④（填編號）．
①CO₂與H₂反應(yīng)，使乙苯脫氫反應(yīng)的化學平衡右移
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
（5）產(chǎn)物中另一種物質(zhì)常用做燃料電池的材料，若電解質(zhì)為熔融碳酸鹽，其負極電極反應(yīng)式為H₂-2e-+CO₃^2-=H₂O+CO₂↑．

Answer 1

分析 （1）反應(yīng)熱=反應(yīng)物總鍵能-生成物總能鍵能，由有機物的結(jié)構(gòu)可知，應(yīng)是-CH₂CH₃中總鍵能與-CH=CH₂、H₂總鍵能之差；
（2）參加反應(yīng)的乙苯為nα mol，則：
         ?+H₂
開始（mol）：n                    0           0
轉(zhuǎn)化（mol）：nα                  nα           nα
平衡（mol）：n（1-α）            nα           nα
維持體系總壓強p恒定，計算平衡時各組分分壓，再根據(jù)Kp=$\frac{p（苯乙酸）P（H{\;}_{2}）}{P（乙苯）}$計算，由于該體系是恒壓體系，所以在平衡體系中充入氖氣，體積會增大，對于反應(yīng)體系相當于減壓；
（3）①保持壓強不變，加入水蒸氣，容器體積應(yīng)增大，等效為降低壓強，平衡向氣體體積增大的方向移動；
②600℃時乙苯的轉(zhuǎn)化率與苯乙烯的選擇性均較高；結(jié)合溫度對乙苯轉(zhuǎn)化率、苯乙烯選擇性、溫度對反應(yīng)速率與催化劑的影響及消耗能量等，分析控制反應(yīng)溫度為600℃的理由；
（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；
（5）根據(jù)題意，產(chǎn)物中另一種物質(zhì)為氫氣，常用做燃料電池的材料，氫氣在負極發(fā)生氧化反應(yīng)，若電解質(zhì)為熔融碳酸鹽，則結(jié)合碳酸根離子生成二氧化碳和水．

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×X+348-3×X-612-436）kJ•mol^-1=+124kJ•mol^-1，所以X=412，
故答案為：412；
（2）物質(zhì)的量為n的乙苯蒸氣發(fā)生催化脫氫反應(yīng)，參加反應(yīng)的乙苯為nα mol，則：
           ?+H₂
開始（mol）：n                    0              0
轉(zhuǎn)化（mol）：nα                  nα             nα
平衡（mol）：n（1-α）            nα            nα
維持體系總壓強p恒定，壓強平衡常數(shù)Kp=$\frac{p（苯乙酸）P（H{\;}_{2}）}{P（乙苯）}$=$\frac{\frac{nα}{n（1+α）}p×\frac{nα}{n（1+α）}p}{\frac{n（1-α）}{n（1+α）}p}$=$\frac{α{\;}^{2}}{（1-α{\;}^{2}）}p$，由于該體系是恒壓體系，所以在平衡體系中充入氖氣，體積會增大，對于反應(yīng)體系相當于減壓，所以反應(yīng)速率會減小，
故答案為：$\frac{α{\;}^{2}}{（1-α{\;}^{2}）}p$；減��；
（3）①正反應(yīng)為氣體分子數(shù)增大的反應(yīng)，保持壓強不變，加入水蒸氣，容器體積應(yīng)增大，等效為降低壓強，平衡向正反應(yīng)方向移動，提高乙苯的平衡轉(zhuǎn)化率，
故答案為：正反應(yīng)為氣體分子數(shù)增大的反應(yīng)，保持壓強不變，加入水蒸氣，容器體積應(yīng)增大，等效為降低壓強，平衡向正反應(yīng)方向移動；
②600℃時乙苯的轉(zhuǎn)化率與苯乙烯的選擇性均較高，溫度過低，反應(yīng)速率較慢，轉(zhuǎn)化率較低，溫度過高，選擇性下降，高溫下可能失催化劑失去活性，且消耗能量較大，故選擇600℃左右，
故答案為：600℃時乙苯的轉(zhuǎn)化率與苯乙烯的選擇性均較高，溫度過低，反應(yīng)速率較慢，轉(zhuǎn)化率較低，溫度過高，選擇性下降，高溫下可能失催化劑失去活性，且消耗能量較大；
（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；
（5）根據(jù)題意，產(chǎn)物中另一種物質(zhì)為氫氣，常用做燃料電池的材料，若電解質(zhì)為熔融碳酸鹽，其負極電極反應(yīng)式為H₂-2e-+CO₃^2-=H₂O+CO₂↑，
故答案為：H₂-2e-+CO₃^2-=H₂O+CO₂↑．

點評 本題考查反應(yīng)熱計算、化學平衡常數(shù)計算、反應(yīng)速率及平衡移動的影響因素、對條件控制的分析評價等，（1）中認為苯環(huán)存在單雙鍵交替形式不影響計算結(jié)構(gòu)，題目難度較大．