Question

3．乙醇是重要的有机化工原料，可由乙烯气相直接水合成法或间接水合成法生产，回答下列问题：
（1）间接水合成法是指将乙烯与浓硫酸反应生成硫酸氢乙酯C₂H₅OSO₃H），再水解成乙醇，写出相应的化学方程式C₂H₄+H₂SO₄=C₂H₅OSO₃H、C₂H₅OSO₃H+H₂O→C₂H₅OH+H₂SO₄；（2）已知：
甲醇脱水反应2CH₃OH（g）=CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）?△H₁=-23.9kJ•mol-1
甲醇制烯烃反应2CH₃OH（g）=C₂H₄ （g）+H₂O（g）?△H₂=-29.1kJ•mol-1
乙醇异构化反应2CH₃OH（g）=CH₃OCH₃（g））?△H₃=+50.7kJ•mol-1
则乙烯气相直接水合反应C₂H₄ （g）+H₂O（g）=C₂H₅OH（g）的△H=-45.5 kJ•mol-1．与间接水合法相比，气相直接水合法的优点是无副产品，原子利用率100%．
（3）图为气相直接水合法中乙烯的平衡转化率与温度、压强的关系（其中${n}_{{H}_{2}O}$：${n}_{{{C}_{2}H}_{4}}$=1：1）．
①图中压强（P₁，P₂，P₃，P₄）大小顺序为p₁＜p₂＜p₃＜p₄，理由是反应分子数减少，相同温度下，压强升高乙烯转化率提高；
②列式计算乙烯水合制乙醇反应在图中A点的平衡常数K_p=0.07（MPa）^-1（用平衡分压代替平衡浓度计算，分压=总压×物质的量分数）；
③气相直接水合法常采用的工艺条件为：磷酸/硅藻土为催化剂，反应温度290℃，压强6.9MPa，nH2O：nC2H4=0.6：1，乙烯的转化率为5%，若要进一步提高乙烯转化率，除了可以适当改变反应温度和压强外，还可以采取的措施有将产物乙醇液化移去、增加nH₂O：nC₂H₄比．．

Answer 1

分析 （1）乙烯与浓硫酸反应生成硫酸氢乙酯（C₂H₅OSO₃H），效仿乙酸乙酯水解，将水分成氢原子和羟基生成乙醇和硫酸；
（2）利用盖斯定律构造目标热化学方程式并求焓变，气相直接水合法原子利用率100%；
（3）①列出Kp表达式，利用三段法计算平衡分压带入表达式计算即可；
②在相同温度下由于乙烯转化率为p₁＜p₂＜p₃＜p₄，由C₂H₄（g）+H₂O（g）═C₂H₅OH（g）可知正反应为气体体积减小的反应，根据压强对平衡移动的影响分析；
③若要进一步提高乙烯转化率，除了可以适当改变反应温度和压强外，还可以改变物质的浓度．

解答 解：（1）乙烯与浓硫酸反应生成硫酸氢乙酯（C₂H₅OSO₃H），化学方程式为C₂H₄+H₂SO₄=C₂H₅OSO₃H，硫酸氢乙酯水解生成乙醇和硫酸，化学方程式为：C₂H₅OSO₃H+H₂O→C₂H₅OH+H₂SO₄，
故答案为：C₂H₄+H₂SO₄=C₂H₅OSO₃H、C₂H₅OSO₃H+H₂O→C₂H₅OH+H₂SO₄；
（2）已知：甲醇脱水反应  ①2CH₃OH（g）═CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H₁=-23.9kJ•mol^-1
甲醇制烯烃反应 ②2CH₃OH（g）═C₂H₄（g）+2H₂O（g）△H₂=-29.1kJ•mol^-1
乙醇异构化反应 ③C₂H₅OH（g）═CH₃OCH₃（g）△H₃=+50.7kJ•mol^-1，
根据盖斯定律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应物中所有原子全部都变成生成物，所以原子利用率100%，没有副产品，
故答案为：-45.5；无副产品，原子利用率100%；
（3）①在相同温度下由于乙烯转化率为p₁＜p₂＜p₃＜p₄，由C₂H₄（g）+H₂O（g）═C₂H₅OH（g）可知正反应为气体体积减小的反应，所以增大压强，平衡正向移动，乙烯的转化率提高，因此压强关系是p₁＜p₂＜p₃＜p₄，
故答案为：p₁＜p₂＜p₃＜p₄；反应分子数减少，相同温度下，压强升高乙烯转化率提高；
②C₂H₄（g）+H₂O（g）═C₂H₅OH（g）
开始：1         1          0
转化：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$\frac{0.8}{0.8+0.8+0.2}$=$\frac{4}{9}$，则乙醇的分压为7.85MPa×$\frac{1}{9}$=0.87MPa，乙烯和水的分压为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，
故答案为：0.07（MPa）^-1；
③若要进一步提高乙烯转化率，除了可以适当改变反应温度和压强外，还可以改变物质的浓度，如从平衡体系中将产物乙醇分离出来，或增大水蒸气的浓度，改变二者物质的量的比等，
故答案为：将产物乙醇液化移去；增加nH₂O：nC₂H₄比．

点评 本题考查了化学方程式的书写、压强对平衡移动的影响、物质制取方案的比较、反应热及平衡常数的计算等知识，综合性非常强，该题是高考中的常见题型，属于中等难度较大，侧重于学生分析问题、解决问题、知识迁移能力的培养．