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7.乙苯催化脱氢制苯乙烯反应:CH2CH3(g)$\stackrel{催化剂}{?}$CH=CH2(g)+H2(g)
(1)已知
化学键C-HC-CC=CH-H
键能/kJ•molˉ1412348612436
计算上述反应的△H=+124 kJ•mol-1
(2)维持体系总压强p恒定,在温度T时,物质的量为n、体积为V的乙苯蒸汽发生催化脱氢反应.已知乙苯的平衡转化率为α,则在该温度下反应的平衡常数K=$\frac{n{α}^{2}}{(1-{α}^{2})V}$(用α等符号表示).
(3)工业上,通常在乙苯蒸汽中掺混水蒸气(原料气中乙苯和水蒸气的物质的量之比为1:9),控制反应温度600℃,并保持体系总压为常压的条件下进行反应.在不同反应温度下,乙苯的平衡转化率和某催化剂作用下苯乙烯的选择性(指除了H2以外的产物中苯乙烯的物质的量分数)示意图如下:

①掺入水蒸气能提高乙苯的平衡转化率,解释说明该事实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.
②控制反应温度为600℃的理由是600℃时乙苯的转化率与苯乙烯的选择性均较高,温度过低,反应速率较慢,转化率较低,温度过高,选择性下降,高温下可能失催化剂失去活性,且消耗能量较大.
(4)某研究机构用CO2代替水蒸气开发了绿色化学合成工艺----乙苯-二氧化碳耦合催化脱氢制苯乙烯.保持常压和原料气比例不变,与掺水蒸汽工艺相比,在相同的生产效率下,可降低操作温度;该工艺中还能够发生反应:CO2+H2=CO+H2O,CO2+C=2CO.新工艺的特点有①②③④(填编号).
①CO2与H2反应,使乙苯脱氢反应的化学平衡右移
②不用高温水蒸气,可降低能量消耗
③有利于减少积炭
④有利用CO2资源利用.

分析 (1)反应热=反应物总键能-生成物总能键能,由有机物的结构可知,应是-CH2CH3中总键能与-CH=CH2、H2总键能之差;
(2)参加反应的乙苯为nα mol,则:
?+H2
开始(mol):n            0         0
转化(mol):nα           nα        nα
平衡(mol):n(1-α)      nα        nα
维持体系总压强p恒定,在温度T时,由PV=nRT可知,混合气体总浓度不变,设反应后的体积为V′,则$\frac{n(1-α)+nα+nα}{V′}$=$\frac{n}{V}$,故V′=(1+α)V,再根据平衡常数表达式K=$\frac{c(苯乙酸)×c({H}_{2})}{c(乙苯)}$计算解答;
(3)①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;
②600℃时乙苯的转化率与苯乙烯的选择性均较高,结合温度对乙苯转化率、苯乙烯选择性、温度对反应速率与催化剂的影响及消耗能量等,分析控制反应温度为600℃的理由;
(4)①CO2与H2反应,导致氢气浓度减低,有利于乙苯脱氢反应的化学平衡右移;
②由题目信息可知,在保持常压和原料气比例不变,与掺水蒸汽工艺相比,在相同的生产效率下,可降低操作温度,消耗的能量减少;
③由于会发生反应CO2+C═2CO,有利于减少积炭;
④CO2代替水蒸气,有利用CO2资源利用.

解答 解:(1)反应热=反应物总键能-生成物总能键能,由有机物的结构可知,应是-CH2CH3中总键能与-CH=CH2、H2总键能之差,故△H=(5×412+348-3×412-612-436)kJ•mol-1=+124kJ•mol-1
故答案为:+124;
(2)物质的量为n、体积为V的乙苯蒸气发生催化脱氢反应,参加反应的乙苯为nα mol,则:
?+H2
开始(mol):n         0            0
转化(mol):nα        nα           nα
平衡(mol):n(1-α)   nα           nα
维持体系总压强p恒定,在温度T时,由PV=nRT可知,混合气体总浓度不变,设反应后的体积为V′,则$\frac{n(1-α)+nα+nα}{V′}$=$\frac{n}{V}$,故V′=(1+α)V,则平衡常数K=$\frac{c(苯乙酸)×c({H}_{2})}{c(乙苯)}$,则K=$\frac{\frac{nα}{(1+α)V}×\frac{nα}{(1+α)V}}{\frac{n(1-α)}{(1+α)V}}$=$\frac{n{α}^{2}}{(1-{α}^{2})V}$,
故答案为:$\frac{n{α}^{2}}{(1-{α}^{2})V}$;
(3)①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;
②600℃时乙苯的转化率与苯乙烯的选择性均较高,温度过低,反应速率较慢,转化率较低,温度过高,选择性下降,高温下可能失催化剂失去活性,且消耗能量较大,故选择600℃左右,
故答案为:600℃时乙苯的转化率与苯乙烯的选择性均较高,温度过低,反应速率较慢,转化率较低,温度过高,选择性下降,高温下可能失催化剂失去活性,且消耗能量较大;
(4)①CO2与H2反应,导致氢气浓度减低,有利于乙苯脱氢反应的化学平衡右移,故正确;
②由题目信息可知,在保持常压和原料气比例不变,与掺水蒸汽工艺相比,在相同的生产效率下,可降低操作温度,消耗的能量减少,故正确;
③由于会发生反应CO2+C═2CO,有利于减少积炭,故正确;
④CO2代替水蒸气,有利用CO2资源利用,故正确,
故选:①②③④.

点评 本题考查反应热计算、化学平衡常数计算、反应速率及平衡移动的影响因素、对条件控制的分析评价等,(1)中认为苯环存在单双键交替形式不影响计算结构,(2)中平衡常数计算为易错点、难点,注意温度、压强不变,容器的体积发生变化,学生容易认为容器的体积不变,题目难度较大.

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