Question

2．苯乙烯是重要的基础有机化工原料．工业中以乙苯（C₆H₅-CH₂CH₃）为原料，采用催化脱氢的方法制取苯乙烯（C₆H₅-CH=CH₂）的反应方程式为：C₆H₅-CH₂CH₃（g）?C₆H₅-CH=CH₂（g）+H₂（g）△H₁=+125kJ•mol^-1
（1）向体积为VL的密闭容器中充入a mol乙苯，反应达到平衡状态时，平衡体系组成（物质的量分数）与温度的关系如图1所示：

600℃时，由图1可知：
①氢气的物质的量分数为25%．
②此温度下该反应的平衡常数$\frac{a}{6V}$．
（2）分析上述平衡体系组成与温度的关系图：当温度高于970℃，苯乙烯的产率不再增加，其原因可能是有机化合物在温度过高时分解．
（3）实际生产中常以高温水蒸气作为反应体系的稀释剂（稀释剂不参加反应）．C₆H₅C₂H₅的平衡转化率与水蒸气的用量、体系总压强关系如图2．加入稀释剂能影响C₆H₅C₂H₅平衡转化率的原因是：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．
（4）某些工艺中，在反应的中途加入O₂和特定的催化剂，有利于提高C₆H₅C₂H₅的平衡转化率．试解释其原因：氧气将反应生成的氢气消耗掉，减小了氢气的浓度；同时该反应放热使体系温度升高，平衡正反应方向移动．
（5）已知某温度下，当压强为101.3kPa时，该反应中乙苯的平衡转化率为30%；在相同温度下，若反应体系中加入稀释剂水蒸气并保持体系总压为101.3kPa，则乙苯的平衡转化率＞30%
（6）乙苯在特定催化剂下发生氧化脱氢：
C₆H₅-CH₂CH₃（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）?C₆H₅-CH=CH₂（g）+H₂O（g）△H
已知 H₂的燃烧热△H为-285.8KJ/mol，水的汽化热为2441.12焦耳/克，则△H=-116.8kJ•mol^-1．

Answer 1

分析 （1）由图示可知：600℃时，乙苯的物质的量百分含量为50%，参加反应的乙苯为xmol，则：
             C₆H₅CH₂CH₃（g）?C₆H₅CH=CH₂（g）+H₂（g）
起始量（mol）：a                 0           0
变化量（mol）：x                 x           x
平衡量（mol）：a-x）              x           x
①再根据乙苯的物质的量分数列方程计算x，进而计算氢气的物质的量分数；
②计算各组分平衡浓度，代入平衡常数表达式K=$\frac{c（{C}_{6}{H}_{5}CH=C{H}_{2}）×c（{H}_{2}）}{c（{C}_{6}{H}_{5}C{H}_{2}C{H}_{3}）}$计算；
（2）有机物受热易分解，温度高于970℃时，可能是应有机物分解使苯乙烯的产率不再增加；
（3）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；
（4）O₂与反应生成的氢气反应，且反应放热，所以平衡正移有利于提高C₆H₅C₂H₅的平衡转化率；
（5）体系总压强不变时，加入稀释剂，参与反应的各物质浓度同等程度减小，相当于反应体系减压，故平衡向气体物质的量增大的方向移动，C₆H₅C₂H₅平衡转化率增大；
（6）H₂的燃烧热（△H）分别为-285.8kJ．mol•L^-1和-283.0kJ．mol•L^-1，可得热化学方程式：
①H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（l）△H=-285.8KJ/mol，
水的汽化热为2441.12焦耳/克，则为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
根据盖斯定律，③+①+②可得：C₆H₅-CH₂CH₃（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）?C₆H₅-CH=CH₂（g）+H₂O（g）．

解答 解：（1）由图示可知：600℃时，乙苯的物质的量百分含量为50%，参加反应的乙苯为xmol，则：
            C₆H₅CH₂CH₃（g）?C₆H₅CH=CH₂（g）+H₂（g）
起始量（mol）：a               0            0
变化量（mol）：x               x            x
平衡量（mol）：a-x             x            x
①乙苯的物质的量百分含量为50%，则$\frac{a-x}{a+x}$=50%，所以x=$\frac{1}{3}$a，氢气的物质的量分数为$\frac{\frac{1}{3}amol}{amol+\frac{1}{3}amol}$×100%=25%，故答案为：25%；
②此温度下平衡常数K=$\frac{c（{C}_{6}{H}_{5}CH=C{H}_{2}）×c（{H}_{2}）}{c（{C}_{6}{H}_{5}C{H}_{2}C{H}_{3}）}$=$\frac{\frac{\frac{1}{3}a}{V}×\frac{\frac{1}{3}a}{V}}{\frac{\frac{2}{3}a}{V}}$=$\frac{a}{6V}$，故答案为：$\frac{a}{6V}$；
温度高于970℃时，苯乙烯的产率不再增加，可能有机物受热易分解是所致；
故答案为：66.7%；$\frac{2}{3}$；有机化合物在温度过高时分解；
（2）有机物受热易分解，温度高于970℃时，可能是应有机物分解使苯乙烯的产率不再增加，
故答案为：有机化合物在温度过高时分解；
（3）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；
（4）O₂与反应生成的氢气反应，且反应放热，所以平衡正移有利于提高C₆H₅C₂H₅的平衡转化率，
故答案为：氧气将反应生成的氢气消耗掉，减小了氢气的浓度；同时该反应放热使体系温度升高，平衡正反应方向移动；
（5）体系总压强不变时，加入稀释剂，参与反应的各物质浓度同等程度减小，相当于反应体系减压，故平衡向气体物质的量增大的方向移动，C₆H₅C₂H₅平衡转化率增大，故则乙苯的平衡转化率＞30%，
故答案为：＞；
（6）H₂的燃烧热（△H）分别为-285.8kJ．mol•L^-1和-283.0kJ．mol•L^-1，可得热化学方程式：
①H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（l）△H=-285.8KJ/mol，
水的汽化热为2441.12焦耳/克，则为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
根据盖斯定律，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，
故答案为：-116.8kJ•mol^-1．

点评 本题考查化学平衡计算及影响元素、反应热计算等，综合考查学生阅读获取信息能力、应用知识分析解决问题能力，难度中等．