Question

甲苯(C₇H₈)和二甲苯(C₈H₁₀)是重要的化工原料。利用苯(C₆H₆)和甲醇(CH₃OH)在催化剂作用下反应得到C₇H₈、C₈H₁₀和副产物三甲苯(C₉H₁₂)，发生的主要反应如下：

Ⅰ.C₆H₆(g)+CH₃OH(g)⇌C₇H₈(g)+H₂O(g)

Ⅱ.C₇H₈(g)+CH₃OH(g)⇌C₈H₁₀(g)+H₂O(g)

Ⅲ.C₈H₁₀(g)+CH₃OH(g)⇌C₉H₁₂(g)+H₂O(g)

(1)500℃、0.18Mpa条件下，反应达到平衡时，结果如图所示。

①由图分析，随着投料比增加，CH₃OH的平衡转化率___，平衡时的值___。(填“增大”、“减小”或“不变”)

②投料比为1.0时，C₆H₆的平衡转化率为50%，产物中C₇H₈、C₈H₁₀和C₉H₁₂物质的量之比为6︰3︰1。CH₃OH的平衡转化率为___，反应I的平衡常数K=___。

(2)我国学者结合实验与计算机模拟结果，研究了反应I在固体酸(HB)催化剂表面进行的反应历程如图所示。其中吸附在固体酸(HB)表面的物种用*标注。

①反应I的∆H=___kJ·mol^-1。

②吸附CH₃OH的焓变___吸附C₆H₆的焓变(填“＞”或“＜”)。

③C₆H₆*在催化剂表面转化为C₇H₈*的反应方程式为___。

④在固体酸(HB)催化作用下，测得反应I的速率方程为v=k∙p(C₆H₆)(k为速率常数)。在刚性容器中发生反应I，关于反应I的平衡常数(K)和反应速率(v)的叙述正确的是__(填标号)。

A.升高温度，K和v均增大

B.增大p(C₆H₆)，K不变，v增大

C.降低温度，K和v均减小

D.增大p(CH₃OH)，K不变，v增大

Answer

减小 增大 75% 1.8 -61.4 ＜ C6H6*+H2O+CH3B=C7H8*+H2O+HB B

【解析】

(1)①由图分析，随着投料比增加，苯(C6H6)的转化率在增加，CH3OH的物质的量在增加，平衡转化率减小，根据平衡移动的方向判断平衡时的值的变化；

②设当设C6H6的平衡转化率为50%，产物中C7H8、C8H10和C9H12物质的量分别为6mol、3mol、1mol，则反应ⅢC8H10(g)+CH3OH(g)⇌C9H12(g)+H2O(g)中平衡时，C8H10和C9H12的物质的量分别为3mol、1mol，则反应Ⅲ中C8H10(g)的初始投料为4mol，即平衡时反应ⅡC7H8(g)+CH3OH(g)⇌C8H10(g)+H2O(g)平衡时，C7H8、C8H10的物质的量分别为6mol和4mol，则反应Ⅱ中C7H8初始量为10mol，即平衡时反应ⅠC6H6(g)+CH3OH(g)⇌C7H8(g)+H2O(g)中C7H8(g)平衡时的物质的量为10mol，则反应ⅠC6H6(g)和CH3OH(g)的转化量为10mol，根据投料比为1.0时，设C6H6的平衡转化率为50%，则反应Ⅰ中C6H6(g)和CH3OH(g) 的初始投入量相等，都为20mol，据此列三段式计算解答；

(2)①结合反应I的方程式：C6H6(g)+CH3OH(g)⇌C7H8(g)+H2O(g)，根据图示，利用盖斯定律解答；

②根据图示中，吸附CH3OH的焓变和吸附C6H6的焓变数值进行比较判断；

③根据图示，找到C6H6*和C7H8*所在的位置书写反应方程式；

④根据①中分析可知，反应I的方程式为：C6H6(g)+CH3OH(g)⇌C7H8(g)+H2O(g)，正反应为放热反应；该体系反应前后气体分子数目不变，平衡常数只与温度有关，温度不变平衡常数不变，结合外界条件对反应速率的影响分析判断速率的变化。

(1)①由图分析，随着投料比增加，苯(C6H6)的转化率在增加，CH3OH的物质的量在增加，平衡转化率减小；根据图像，结合三个反应，苯(C6H6)的转化率与C7H8、C8H10和C9H12三种产物的产量成正比关系，图像中苯(C6H6)的转化率与C7H8、C8H10的产量之差，应为C9H12的产量，根据图显示，C9H12的产量在增大，则的值增大；

②设C6H6的平衡转化率为50%，产物中C7H8、C8H10和C9H12物质的量分别为6mol、3mol、1mol，则反应ⅢC8H10(g)+CH3OH(g)⇌C9H12(g)+H2O(g)中平衡时，C8H10和C9H12的物质的量分别为3mol、1mol，则反应Ⅲ中C8H10(g)的初始投料为4mol，即平衡时反应ⅡC7H8(g)+CH3OH(g)⇌C8H10(g)+H2O(g)平衡时，C7H8、C8H10的物质的量分别为6mol和4mol，则反应Ⅱ中C7H8初始量为10mol，即平衡时反应ⅠC6H6(g)+CH3OH(g)⇌C7H8(g)+H2O(g)中C7H8(g)平衡时的物质的量为10mol，则反应ⅠC6H6(g)和CH3OH(g)的转化量为10mol，根据投料比为1.0时，设C6H6的平衡转化率为50%，则反应Ⅰ中C6H6(g)和CH3OH(g) 的初始投入量相等，都为20mol，据此列三段式可得：

根据以上转化后，平衡时CH3OH剩余5mol，则CH3OH平衡转化率为×100%=75%，反应I体系中各物质反应计量系数都为1，则物质的量的变化量可代表浓度变化量，体系平衡时，CH3OH物质的量为5mol，C6H6的物质的量为10mol，C7H8的物质的量为6mol，水蒸气的物质的量为15mol，则平衡常数K=；

(2)①反应I的方程式为：C6H6(g)+CH3OH(g)⇌C7H8(g)+H2O(g)，根据图示，反应物的总能量高于生成物的总能量，为放热反应，利用盖斯定律，反应热只与始态和终态有关，与反应过程无关，则∆H=-61.4kJ·mol-1；

②根据图示，吸附CH3OH的焓变为-109.9 kJ·mol-1，吸附C6H6的焓变为-66.4 kJ·mol-1，二者焓变都小于0，则吸附CH3OH的焓变＜吸附C6H6的焓变；

③根据图示，C6H6*在催化剂表面转化为C7H8*的反应方程式为C6H6*+H2O+CH3B=C7H8*+H2O+HB；

④根据①中分析可知，反应I的方程式为：C6H6(g)+CH3OH(g)⇌C7H8(g)+H2O(g)，正反应为放热反应；该体系反应前后气体分子数目不变，

A．升高温度，平衡逆向移动，则K减小，升高温度反应速率v增大，故A错误；

B．平衡常数只与温度有关，温度不变，平衡常数K不变，增大p(C6H6)，根据v=k∙p(C6H6)，则反应v增大，故B正确

C．降低温度，平衡向正向移动，平衡常数K增大，降温反应速率v减小，故C错误；

D．平衡常数只与温度有关，温度不变，平衡常数K不变，增大p(CH3OH)，体系中各组分的压强都增大，反应速率v增大，故D错误；

答案选B。