Question

2．苯乙烯是重要的基礎(chǔ)有機(jī)化工原料．工業(yè)中以乙苯（C₆H₅-CH₂CH₃）為原料，采用催化脫氫的方法制取苯乙烯（C₆H₅-CH=CH₂）的反應(yīng)方程式為：C₆H₅-CH₂CH₃（g）?C₆H₅-CH=CH₂（g）+H₂（g）△H₁=+125kJ•mol^-1
（1）向體積為VL的密閉容器中充入a mol乙苯，反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，平衡體系組成（物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)）與溫度的關(guān)系如圖1所示：

600℃時(shí)，由圖1可知：
①氫氣的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為25%．
②此溫度下該反應(yīng)的平衡常數(shù)$\frac{a}{6V}$．
（2）分析上述平衡體系組成與溫度的關(guān)系圖：當(dāng)溫度高于970℃，苯乙烯的產(chǎn)率不再增加，其原因可能是有機(jī)化合物在溫度過(guò)高時(shí)分解．
（3）實(shí)際生產(chǎn)中常以高溫水蒸氣作為反應(yīng)體系的稀釋劑（稀釋劑不參加反應(yīng)）．C₆H₅C₂H₅的平衡轉(zhuǎn)化率與水蒸氣的用量、體系總壓強(qiáng)關(guān)系如圖2．加入稀釋劑能影響C₆H₅C₂H₅平衡轉(zhuǎn)化率的原因是：正反應(yīng)為氣體分子數(shù)增大的反應(yīng)，保持壓強(qiáng)不變，加入水蒸氣，容器體積應(yīng)增大，等效為降低壓強(qiáng)，平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)．
（4）某些工藝中，在反應(yīng)的中途加入O₂和特定的催化劑，有利于提高C₆H₅C₂H₅的平衡轉(zhuǎn)化率．試解釋其原因：氧氣將反應(yīng)生成的氫氣消耗掉，減小了氫氣的濃度；同時(shí)該反應(yīng)放熱使體系溫度升高，平衡正反應(yīng)方向移動(dòng)．
（5）已知某溫度下，當(dāng)壓強(qiáng)為101.3kPa時(shí)，該反應(yīng)中乙苯的平衡轉(zhuǎn)化率為30%；在相同溫度下，若反應(yīng)體系中加入稀釋劑水蒸氣并保持體系總壓為101.3kPa，則乙苯的平衡轉(zhuǎn)化率＞30%
（6）乙苯在特定催化劑下發(fā)生氧化脫氫：
C₆H₅-CH₂CH₃（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）?C₆H₅-CH=CH₂（g）+H₂O（g）△H
已知 H₂的燃燒熱△H為-285.8KJ/mol，水的汽化熱為2441.12焦耳/克，則△H=-116.8kJ•mol^-1．

Answer 1

分析 （1）由圖示可知：600℃時(shí)，乙苯的物質(zhì)的量百分含量為50%，參加反應(yīng)的乙苯為xmol，則：
             C₆H₅CH₂CH₃（g）?C₆H₅CH=CH₂（g）+H₂（g）
起始量（mol）：a                 0           0
變化量（mol）：x                 x           x
平衡量（mol）：a-x）              x           x
①再根據(jù)乙苯的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)列方程計(jì)算x，進(jìn)而計(jì)算氫氣的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)；
②計(jì)算各組分平衡濃度，代入平衡常數(shù)表達(dá)式K=$\frac{c（{C}_{6}{H}_{5}CH=C{H}_{2}）×c（{H}_{2}）}{c（{C}_{6}{H}_{5}C{H}_{2}C{H}_{3}）}$計(jì)算；
（2）有機(jī)物受熱易分解，溫度高于970℃時(shí)，可能是應(yīng)有機(jī)物分解使苯乙烯的產(chǎn)率不再增加；
（3）保持壓強(qiáng)不變，加入水蒸氣，容器體積應(yīng)增大，等效為降低壓強(qiáng)，平衡向氣體體積增大的方向移動(dòng)；
（4）O₂與反應(yīng)生成的氫氣反應(yīng)，且反應(yīng)放熱，所以平衡正移有利于提高C₆H₅C₂H₅的平衡轉(zhuǎn)化率；
（5）體系總壓強(qiáng)不變時(shí)，加入稀釋劑，參與反應(yīng)的各物質(zhì)濃度同等程度減小，相當(dāng)于反應(yīng)體系減壓，故平衡向氣體物質(zhì)的量增大的方向移動(dòng)，C₆H₅C₂H₅平衡轉(zhuǎn)化率增大；
（6）H₂的燃燒熱（△H）分別為-285.8kJ．mol•L^-1和-283.0kJ．mol•L^-1，可得熱化學(xué)方程式：
①H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（l）△H=-285.8KJ/mol，
水的汽化熱為2441.12焦耳/克，則為18×2.4412kJ/mol≈44kJ/mol，可得：
②H₂O（l）=H₂O（g）△H=+44kJ/mol
已知③：C₆H₅-CH₂CH₃（g）?C₆H₅-CH=CH₂（g）+H₂（g）△H₁=+125kJ•mol^-1
根據(jù)蓋斯定律，③+①+②可得：C₆H₅-CH₂CH₃（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）?C₆H₅-CH=CH₂（g）+H₂O（g）．

解答 解：（1）由圖示可知：600℃時(shí)，乙苯的物質(zhì)的量百分含量為50%，參加反應(yīng)的乙苯為xmol，則：
            C₆H₅CH₂CH₃（g）?C₆H₅CH=CH₂（g）+H₂（g）
起始量（mol）：a               0            0
變化量（mol）：x               x            x
平衡量（mol）：a-x             x            x
①乙苯的物質(zhì)的量百分含量為50%，則$\frac{a-x}{a+x}$=50%，所以x=$\frac{1}{3}$a，氫氣的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為$\frac{\frac{1}{3}amol}{amol+\frac{1}{3}amol}$×100%=25%，故答案為：25%；
②此溫度下平衡常數(shù)K=$\frac{c（{C}_{6}{H}_{5}CH=C{H}_{2}）×c（{H}_{2}）}{c（{C}_{6}{H}_{5}C{H}_{2}C{H}_{3}）}$=$\frac{\frac{\frac{1}{3}a}{V}×\frac{\frac{1}{3}a}{V}}{\frac{\frac{2}{3}a}{V}}$=$\frac{a}{6V}$，故答案為：$\frac{a}{6V}$；
溫度高于970℃時(shí)，苯乙烯的產(chǎn)率不再增加，可能有機(jī)物受熱易分解是所致；
故答案為：66.7%；$\frac{2}{3}$；有機(jī)化合物在溫度過(guò)高時(shí)分解；
（2）有機(jī)物受熱易分解，溫度高于970℃時(shí)，可能是應(yīng)有機(jī)物分解使苯乙烯的產(chǎn)率不再增加，
故答案為：有機(jī)化合物在溫度過(guò)高時(shí)分解；
（3）正反應(yīng)為氣體分子數(shù)增大的反應(yīng)，保持壓強(qiáng)不變，加入水蒸氣，容器體積應(yīng)增大，等效為降低壓強(qiáng)，平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，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(qiáng)不變，加入水蒸氣，容器體積應(yīng)增大，等效為降低壓強(qiáng)，平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)；
（4）O₂與反應(yīng)生成的氫氣反應(yīng)，且反應(yīng)放熱，所以平衡正移有利于提高C₆H₅C₂H₅的平衡轉(zhuǎn)化率，
故答案為：氧氣將反應(yīng)生成的氫氣消耗掉，減小了氫氣的濃度；同時(shí)該反應(yīng)放熱使體系溫度升高，平衡正反應(yīng)方向移動(dòng)；
（5）體系總壓強(qiáng)不變時(shí)，加入稀釋劑，參與反應(yīng)的各物質(zhì)濃度同等程度減小，相當(dāng)于反應(yīng)體系減壓，故平衡向氣體物質(zhì)的量增大的方向移動(dòng)，C₆H₅C₂H₅平衡轉(zhuǎn)化率增大，故則乙苯的平衡轉(zhuǎn)化率＞30%，
故答案為：＞；
（6）H₂的燃燒熱（△H）分別為-285.8kJ．mol•L^-1和-283.0kJ．mol•L^-1，可得熱化學(xué)方程式：
①H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（l）△H=-285.8KJ/mol，
水的汽化熱為2441.12焦耳/克，則為18×2.4412kJ/mol≈44kJ/mol，可得：
②H₂O（l）=H₂O（g）△H=+44kJ/mol
已知③：C₆H₅-CH₂CH₃（g）?C₆H₅-CH=CH₂（g）+H₂（g）△H₁=+125kJ•mol^-1
根據(jù)蓋斯定律，③+①+②可得：C₆H₅-CH₂CH₃（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）?C₆H₅-CH=CH₂（g）+H₂O（g），故△H=+125kJ•mol^-1-285.8KJ/mol+44kJ•mol^-1=-116.8kJ•mol^-1，
故答案為：-116.8kJ•mol^-1．

點(diǎn)評(píng) 本題考查化學(xué)平衡計(jì)算及影響元素、反應(yīng)熱計(jì)算等，綜合考查學(xué)生閱讀獲取信息能力、應(yīng)用知識(shí)分析解決問(wèn)題能力，難度中等．