Question

(15分)乙苯催化脱氢制苯乙烯反应：

（1）已知：

化学键	C－H	C－C	C＝C	H－H
键能/kJ·molˉ^1	412	348	612	436

    计算上述反应的△H＝________ 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＝____________ (用α等符号表示)。

（3）工业上，通常在乙苯蒸气中掺混水蒸气(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___________。

②控制反应温度为600℃的理由是____________。

（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_________(填编号)。

① CO₂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 有利于CO₂资源利用

Answer

(15分)（1）124 （2） 或

（3） ① 正反应方向气体分子数增加，加入水蒸气起稀释，相当于起减压的效果

②600℃时，乙苯的转化率和苯乙烯的选择性均较高。温度过低，反应速率慢，转化率低；温度过高，选择性下降。高温还可能使催化剂失活，且能耗大

（4） ①②③④

【解析】（1）反应物断开2molC—H健和1molC—C键，吸收能量为：2×412kJ·molˉ1+348 kJ·molˉ1 = 1172kJ·molˉ1；生成物形成1molC＝C键和1molH—H键，放出能量为：612 kJ·molˉ1+436 kJ·molˉ1=1048 kJ·molˉ1，根据盖斯定律可得△H＝(1172－1048) kJ·mol－1=124 kJ·mol－1。

（2） 乙苯的平衡转化率为α，则平衡时各组的物质的量为：n(乙苯)=n(1－α)mol、n(苯乙烯)=n(H2)=nα mol，则平衡常数；也可用各组分的分压来表示平衡常数，平衡时气体总物质的量为n(1+α)mol，各组分的分压为：p(乙苯)= 、p(苯乙烯)=p(H2)，以此代入Kp表达式并化简可求得。

（3）①常压下掺混水蒸气起稀释作用，相当于起减压的效果，而该反应正方向气体分子数增加，减压可使平衡正向移动，乙苯的平衡转化率增大。②从图像上看出，600℃时，乙苯的转化率和苯乙烯的选择性均较高；温度过低，反应速率慢，转化率低；温度过高，选择性下降。高温还可能使催化剂失活，且能耗大，综合考虑，应控制温度为600℃。

（4）①乙苯催化脱氢制苯乙烯反应为可逆反应，若掺混CO2，由于CO2与H2反应可使生成物浓度减小，化学平衡右移，乙苯转化率增大；②不用高温水蒸气，必然降低能耗；③由于发生反应CO2＋C＝2CO，可减少积炭；④CO2得到有效利用，可减少CO2排放并作为资源得到利用。故选择①②③④。

【考点定位】本题主要是考查化学反应与能量，化学平衡常数计算，反应条件控制，化工生产新工艺的评价，图像分析与应用等。