Question

乙炔加氢是乙烯工业中的重要精制反应，利用这一反应可以将乙烯产品中的乙炔含量降低，以避免后续乙烯聚合催化剂的中毒，工业上称为碳二加氢过程。

已知：Ⅰ.CHCH(g)+H₂(g)→CH₂=CH₂(g)   ΔH₁  K₁(400K)=4.2×10²²

Ⅱ.CHCH(g)+2H₂(g)→CH₃CH₃(g)   ΔH₂=-311.4kJ·mol^-1  K₂(400K)=1.4×10³⁸

回答下列问题：

（1）已知几种化学键的键能如下表所示：

△H₁=___kJ•mol^-1。

（2）400K时，在密闭容器中将等物质的量的CH₂=CH₂(g)和H₂(g)混合，采用适当的催化剂进行反应，生成CH₃CH₃(g)，达到平衡时测得=10¹⁶，则平衡时c(H₂)=___mol•L^-1。

（3）据前人研究发现乙炔在PV团簇表面催化加氢反应的部分历程如图1所示，其中吸附在PV表面上的物种用*标注。

推测乙烯在PV表面上的吸附为___(填“放热”或“吸热”）过程。图1历程中最大能金（活化能）E_正=___kJ·mol^-1，该步骤的化学方程式为___。

（4）T₁℃时，将体积比为1：2的CH≡CH(g)和H₂(g)充入刚性密闭容器中，加入催化剂发生反应Ⅱ，起始体系总压强为P₀ kPa，实验测得H₂的分压（p)与反应时间（t）的关系如图2所示。

①T₁℃时，0～4min内，平均反应速率v(HC≡CH)=___kPa•min^-1(用含p₀、p₁的代数式表示，下同）。

②T₁℃时，该反应的化学平衡常数K_p=___kPa^-2(K_p为以分压表示的平衡常数，分压=总压×物质的量分数）。

③T₁℃时，0～2min内p(H₂)的减小量___(填“＞”“＜”或“=”）2～4min内p(H₂)的减小量，理由为___。

Answer

-193.8 3 放热 22.59 C2H3∗+ H∗= C2H4∗+ ∗ ＞ 反应物的浓度减小，反应速率减慢

【解析】

(1)结合表格中键能数据，根据△H=反应物的键能 -生成物的键能进行解答；

(2)运用盖斯定律解出目标反应，根据已知反应与目标反应的平衡常数关系计算；

(3)结合图中各物质反应关系中反应物生成物能量变化分析判断；

(4)利用“三段式计算”反应速率、平衡常数；反应过程中反应物的浓度变化分析；

(1)根据△H=反应物的键能 -生成物的键能，则ΔH1=413.4 kJ•mol-1×2+812 kJ•mol-1+436 kJ•mol-1-(413.4 kJ•mol-1×4+615 kJ•mol-1)=-193.8 kJ•mol-1；

(2)已知：Ⅰ.CHCH(g)+H2(g)→CH2=CH2(g) ΔH1 K1(400K)=4.2×1022

Ⅱ.CHCH(g)+2H2(g)→CH3CH3(g) ΔH2=-311.4kJ·mol-1 K2(400K)=1.4×1038

根据盖斯定律，Ⅱ-Ⅰ得：CH2=CH2(g)+H2(g)→CH3CH3(g)，平衡时测得=1016，平衡常数K===，则c(H2)=3mol/L；

(3)如图1所示，IM6为C2H4∗，C2H4∗→C2H4的过程为乙烯的脱附过程，需要吸收14.58 kJ•mol-1的能量，则反之C2H4→C2H4∗的过程为乙烯的吸附过程，放出14.58 kJ•mol-1的能量；如图所示，IM4→IM5过程中活化能最大，为-32.33 kJ•mol-1-(-54.92 kJ•mol-1)=22.59 kJ•mol-1，该步骤的化学反应方程式为：C2H3∗+ H∗= C2H4∗+ ∗；

(4)①根据反应：CHCH(g)+2H2(g)→CH3CH3(g)，如图所示，开始时p(CHCH)=kPa，p(H2)=kPa，根据“三段式”：

则2x=-，解得x=- p1，故0-4min内，平均反应速率v(HC≡CH)=kPa•min-1；

②由①的“三段式”可得Kp=；

③随着反应的进行，反应物的浓度减小，反应速率减慢，则0～2min内氢气的变化量大于2～4min内，则0～2min内p(H2)的减小量＞2～4min内p(H2)的减小量。