Question

丙烯(C₃H₆)是重要的有机化工原料。丙烷脱氢制丙烯发生的主要反应及能量变化如图。

（1）丙烷脱氢制丙烯为强吸热过程。

①为提供反应所需热量，恒压时若向原料气中掺入水蒸气，则K(主反应)__(填“增大”“减小”或“不变”，下同)，转化率α(C₃H₈)__。

②温度升高，副反应更容易发生的主要原因是__。

（2）如图为丙烷直接脱氢法中丙烷和丙烯的平衡体积分数与温度、压强的关系(图中的压强分别为10⁴Pa和10⁵Pa)。

①10⁴Pa时，图中表示丙烯的曲线是__(填“Ⅰ”“Ⅱ”“Ⅲ”或“Ⅳ”)。

②10⁴Pa、500℃时，主反应用平衡分压代替平衡浓度表示的化学平衡常数K_p=__(已知：气体分压=气体总压×体积分数)。

（3）利用CO₂的弱氧化性，开发了丙烷氧化脱氢制丙烯的新工艺。该工艺可采用铬的氧化物为催化剂，其反应机理如图。

已知：CO和H₂的燃烧热分别为－283.0kJ·mol^-1、－285.8kJ·mol^-1。

①图中催化剂为__。

②298K时，该工艺总反应的热化学方程式为__。

③该工艺可以有效消除催化剂表面的积炭，维持催化剂活性，原因是__。

Answer

增大 增大 副反应的活化能低于主反应的活化能 Ⅰ 3.3×103Pa CrO3 C3H8(g)＋CO2(g)C3H6(g)＋CO(g)＋H2O(l) ΔH=＋121.5kJ/mol 碳与CO2反应生成CO，脱离催化剂表面

【解析】

（1）根据平衡移动原理及转化率概念分析解答；（2）根据图示及平衡移动原理、平衡常数表达式分析解答；（3）根据反应机理图及催化剂的作用机理分析解答，根据盖斯定律计算反应热并书写热化学方程式。

（1）①由题可知，丙烷脱氢制丙烯为吸热反应，恒压时若向原料气中掺入水蒸气，体系温度升高，平衡向正反应方向移动，化学平衡常数K增大，丙烷的转化率增大；

②由图可知，副反应的活化能低于主反应的活化能，温度升高，活化能较低的副反应更容易发生。故答案为：增大；增大；副反应的活化能低于主反应的活化能；

（2）①丙烷脱氢制丙烯为气体体积增大的反应，增大压强，平衡向逆反应方向移动，丙烯的平衡体积分数减小；该反应为吸热反应，温度升高，平衡向正反应方向移动，故曲线Ⅰ代表104Pa时丙烯的平衡体积分数；

②104Pa、500℃时，丙烯的平衡体积分数为33%，设起始丙烷为1mol，转化率为x，由题意建立如下三段式：

则＝0.33，解得x≈0.5，丙烷、丙烯和氢气的分压均为104Pa×，则Kp＝＝104Pa×＝3.3×103Pa，故答案为：Ⅰ；3.3×103Pa；

（3）①由图可知，反应ⅰ为3C3H8＋2CrO33C3H6＋Cr2O3＋3H2O，反应ⅱ为3CO2＋Cr2O32CrO3＋3CO，则催化剂为CrO3；

②由题意可得H2(g)＋O2(g)===H2O(l) ΔH＝－285.8kJ/mol(a)；CO(g)＋O2(g)=CO2(g) ΔH＝－283.0kJ/mol(b)；C3H8(g)C3H6(g)＋H2(g) ΔH＝＋124.3kJ/mol(c)。由盖斯定律可得(c)－(b)＋(a)，得热化学方程式C3H8(g)＋CO2(g)C3H6(g)＋CO(g)＋H2O(l)，则ΔH＝(＋124.3kJ/mol)－(－283.0kJ/mol)＋(－285.8kJ/mol)＝＋121.5kJ/mol；

③该工艺中碳与CO2反应生成CO，可以有效消除催化剂表面的积炭，维持催化剂活性，故答案为：CrO3；C3H8(g)＋CO2(g)C3H6(g)＋CO(g)＋H2O(l) ΔH=＋121.5kJ/mol；碳与CO2反应生成CO，脱离催化剂表面。