Question

【題目】甲苯(C7H8)和二甲苯(C8H10)是重要的化工原料。利用苯(C6H6)和甲醇(CH3OH)在催化劑作用下反應得到C7H8、C8H10和副產物三甲苯(C9H12)，發(fā)生的主要反應如下：

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條件下，反應達到平衡時，結果如圖所示。

①由圖分析，隨著投料比增加，CH3OH的平衡轉化率___，平衡時的值___。(填“增大”、“減小”或“不變”)

②投料比為1.0時，C6H6的平衡轉化率為50%，產物中C7H8、C8H10和C9H12物質的量之比為6︰3︰1。CH3OH的平衡轉化率為___，反應I的平衡常數K=___。

(2)我國學者結合實驗與計算機模擬結果，研究了反應I在固體酸(HB)催化劑表面進行的反應歷程如圖所示。其中吸附在固體酸(HB)表面的物種用*標注。

①反應I的H=___kJ·mol-1。

②吸附CH3OH的焓變___吸附C6H6的焓變(填“＞”或“＜”)。

③C6H6*在催化劑表面轉化為C7H8*的反應方程式為___。

④在固體酸(HB)催化作用下，測得反應I的速率方程為v=kp(C6H6)(k為速率常數)。在剛性容器中發(fā)生反應I，關于反應I的平衡常數(K)和反應速率(v)的敘述正確的是__(填標號)。

A.升高溫度，K和v均增大

B.增大p(C6H6)，K不變，v增大

C.降低溫度，K和v均減小

D.增大p(CH3OH)，K不變，v增大

Answer 1

【答案】減小 增大 75% 1.8 -61.4 ＜ C6H6*+H2O+CH3B=C7H8*+H2O+HB B

【解析】

(1)①由圖分析，隨著投料比增加，苯(C6H6)的轉化率在增加，CH3OH的物質的量在增加，平衡轉化率減小，根據平衡移動的方向判斷平衡時的值的變化；

②設當設C6H6的平衡轉化率為50%，產物中C7H8、C8H10和C9H12物質的量分別為6mol、3mol、1mol，則反應ⅢC8H10(g)+CH3OH(g)C9H12(g)+H2O(g)中平衡時，C8H10和C9H12的物質的量分別為3mol、1mol，則反應Ⅲ中C8H10(g)的初始投料為4mol，即平衡時反應ⅡC7H8(g)+CH3OH(g)C8H10(g)+H2O(g)平衡時，C7H8、C8H10的物質的量分別為6mol和4mol，則反應Ⅱ中C7H8初始量為10mol，即平衡時反應ⅠC6H6(g)+CH3OH(g)C7H8(g)+H2O(g)中C7H8(g)平衡時的物質的量為10mol，則反應ⅠC6H6(g)和CH3OH(g)的轉化量為10mol，根據投料比為1.0時，設C6H6的平衡轉化率為50%，則反應Ⅰ中C6H6(g)和CH3OH(g) 的初始投入量相等，都為20mol，據此列三段式計算解答；

(2)①結合反應I的方程式：C6H6(g)+CH3OH(g)C7H8(g)+H2O(g)，根據圖示，利用蓋斯定律解答；

②根據圖示中，吸附CH3OH的焓變和吸附C6H6的焓變數值進行比較判斷；

③根據圖示，找到C6H6*和C7H8*所在的位置書寫反應方程式；

④根據①中分析可知，反應I的方程式為：C6H6(g)+CH3OH(g)C7H8(g)+H2O(g)，正反應為放熱反應；該體系反應前后氣體分子數目不變，平衡常數只與溫度有關，溫度不變平衡常數不變，結合外界條件對反應速率的影響分析判斷速率的變化。

(1)①由圖分析，隨著投料比增加，苯(C6H6)的轉化率在增加，CH3OH的物質的量在增加，平衡轉化率減�。桓鶕�圖像，結合三個反應，苯(C6H6)的轉化率與C7H8、C8H10和C9H12三種產物的產量成正比關系，圖像中苯(C6H6)的轉化率與C7H8、C8H10的產量之差，應為C9H12的產量，根據圖顯示，C9H12的產量在增大，則的值增大；

②設C6H6的平衡轉化率為50%，產物中C7H8、C8H10和C9H12物質的量分別為6mol、3mol、1mol，則反應ⅢC8H10(g)+CH3OH(g)C9H12(g)+H2O(g)中平衡時，C8H10和C9H12的物質的量分別為3mol、1mol，則反應Ⅲ中C8H10(g)的初始投料為4mol，即平衡時反應ⅡC7H8(g)+CH3OH(g)C8H10(g)+H2O(g)平衡時，C7H8、C8H10的物質的量分別為6mol和4mol，則反應Ⅱ中C7H8初始量為10mol，即平衡時反應ⅠC6H6(g)+CH3OH(g)C7H8(g)+H2O(g)中C7H8(g)平衡時的物質的量為10mol，則反應ⅠC6H6(g)和CH3OH(g)的轉化量為10mol，根據投料比為1.0時，設C6H6的平衡轉化率為50%，則反應Ⅰ中C6H6(g)和CH3OH(g) 的初始投入量相等，都為20mol，據此列三段式可得：

根據以上轉化后，平衡時CH3OH剩余5mol，則CH3OH平衡轉化率為×100%=75%，反應I體系中各物質反應計量系數都為1，則物質的量的變化量可代表濃度變化量，體系平衡時，CH3OH物質的量為5mol，C6H6的物質的量為10mol，C7H8的物質的量為6mol，水蒸氣的物質的量為15mol，則平衡常數K=；

(2)①反應I的方程式為：C6H6(g)+CH3OH(g)C7H8(g)+H2O(g)，根據圖示，反應物的總能量高于生成物的總能量，為放熱反應，利用蓋斯定律，反應熱只與始態(tài)和終態(tài)有關，與反應過程無關，則H=-61.4kJ·mol-1；

②根據圖示，吸附CH3OH的焓變?yōu)?/span>-109.9 kJ·mol-1，吸附C6H6的焓變?yōu)?/span>-66.4 kJ·mol-1，二者焓變都小于0，則吸附CH3OH的焓變＜吸附C6H6的焓變；

③根據圖示，C6H6*在催化劑表面轉化為C7H8*的反應方程式為C6H6*+H2O+CH3B=C7H8*+H2O+HB；

④根據①中分析可知，反應I的方程式為：C6H6(g)+CH3OH(g)C7H8(g)+H2O(g)，正反應為放熱反應；該體系反應前后氣體分子數目不變，

A．升高溫度，平衡逆向移動，則K減小，升高溫度反應速率v增大，故A錯誤；

B．平衡常數只與溫度有關，溫度不變，平衡常數K不變，增大p(C6H6)，根據v=kp(C6H6)，則反應v增大，故B正確

C．降低溫度，平衡向正向移動，平衡常數K增大，降溫反應速率v減小，故C錯誤；

D．平衡常數只與溫度有關，溫度不變，平衡常數K不變，增大p(CH3OH)，體系中各組分的壓強都增大，反應速率v增大，故D錯誤；

答案選B。