Question

【題目】乙烯是一種重要的化工原料，可由乙烷為原料制取。請(qǐng)回答下列問題：

（1）傳統(tǒng)的熱裂解法和現(xiàn)代的氧化裂解法的熱化學(xué)方程式如下：

C2H6(g)＝C2H4(g)＋H2(g) ΔH1＝＋136kJ·mol－1

C2H6(g)＋O2(g)＝C2H4(g)＋H2O(g) ΔH2＝－110kJ·mol－1

已知水的汽化熱為H2O(l)＝H2O(g) ΔH3＝＋44kJ·mol－1

且反應(yīng)相關(guān)的部分化學(xué)鍵鍵能數(shù)據(jù)如下：

①由此計(jì)算x＝___，通過比較ΔH1和ΔH2，說明氧化裂解法中通入氧氣的作用是___。

②其他條件相同，對(duì)于氧化裂化法制乙烯的反應(yīng)中，實(shí)驗(yàn)測(cè)得在T1和P1與T2和P2條件下該反應(yīng)的C2H6平衡轉(zhuǎn)化率相同，若T1＞T2，則P1___P2(填“＞”、“＜”或“＝”)。

③請(qǐng)求出下列反應(yīng)的反應(yīng)熱：C2H6(g)＋O2(g)＝C2H4(g)＋H2O(l) ΔH3＝___。

（2）一定條件下，在體積為2L的密閉容器中，充入1molC2H6發(fā)生傳統(tǒng)裂解法制乙烯。

①某溫度下，10min后該反應(yīng)達(dá)平衡，此時(shí)C2H6的物質(zhì)的量濃度為0.2mol·L－1，從反應(yīng)開始到平衡，乙烯的平均反應(yīng)速率v(C2H4)＝___。

②在其它條件不變的情況下，15min時(shí)升高體系溫度，20min達(dá)到新平衡，請(qǐng)?jiān)谙逻叺淖鴺?biāo)系中畫出0～25 min，c(C2H4)隨時(shí)間變化曲線：____。

（3）乙烷的氧化裂解反應(yīng)產(chǎn)物中除了C2H4外，還存在CH4、CO、CO2等副產(chǎn)物(副反應(yīng)均為放熱反應(yīng))，圖1為溫度對(duì)乙烷氧化裂解反應(yīng)性能的影響。乙烷的轉(zhuǎn)化率隨溫度的升高而升高的原因是___；反應(yīng)的最佳溫度為___(填選項(xiàng)序號(hào))。

A.700℃ B.750℃ C.850℃ D.900℃

[乙烯選擇性＝；乙烯收率＝乙烷轉(zhuǎn)化率×乙烯選擇性]

（4）烴類氧化反應(yīng)中，氧氣含量低會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)產(chǎn)生積炭，堵塞反應(yīng)管。圖2為n(C2H6)/n(O2)的值對(duì)乙烷氧化裂解反應(yīng)性能的影響。判斷乙烷氧化裂解過程中的最佳值是___；判斷的理由是___。

（5）工業(yè)上，保持體系總壓恒定為100kPa的條件下進(jìn)行該反應(yīng)，通常在乙烷和氧氣的混合氣體中摻混惰性氣體(惰性氣體的體積分?jǐn)?shù)為70%)，摻混惰性氣體的目的是___。

（6）反應(yīng)達(dá)平衡時(shí)，各組分的體積分?jǐn)?shù)如下表：

計(jì)算該溫度下的平衡常數(shù)Kp＝___(用平衡分壓代替平衡濃度，平衡分壓＝總壓×體積分?jǐn)?shù))

Answer 1

【答案】465 氧氣反應(yīng)時(shí)放出熱量，為后續(xù)反應(yīng)提供能量，節(jié)約能源 < －154kJ·mol－1 0.03mol/(Lmin) (說明：圖中平衡時(shí)，c(C2H4)只要在0.3mol·L－1~0.5mol·L－1都正確) 雖然反應(yīng)放熱，但反應(yīng)未達(dá)平衡，此時(shí)升高溫度，反應(yīng)速率加快，反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率增大 C 2 比值小于2時(shí)，乙烯的收率較低，比值大于2時(shí)，乙烯的收率增大很少但產(chǎn)生更多的積炭，堵塞反應(yīng)管，而比值為2時(shí)乙烯收率較高，反應(yīng)積炭較少 正反應(yīng)為氣體分子數(shù)增多的反應(yīng)，恒壓充入惰性氣體，相當(dāng)于擴(kuò)大容器的體積，降低分壓，有利于平衡正向移動(dòng)

【解析】

（1）傳統(tǒng)的熱裂解法和現(xiàn)代的氧化裂解法的熱化學(xué)方程式如下：

C2H6(g)＝C2H4(g)＋H2(g) ΔH1＝＋136kJ·mol－1 ①

C2H6(g)＋O2(g)＝C2H4(g)＋H2O(g) ΔH2＝－110kJ·mol－1 ②

已知水的汽化熱為H2O(l)＝H2O(g) ΔH3＝＋44kJ·mol－1 ③

且反應(yīng)相關(guān)的部分化學(xué)鍵鍵能數(shù)據(jù)如下：

①計(jì)算x前，首先看表中數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)應(yīng)通過已知反應(yīng)，求出H2(g)+O2(g)＝H2O(g)的ΔH，然后利用鍵能進(jìn)行計(jì)算。通過①、②兩個(gè)熱化學(xué)方程式的比較可以看出，通入O2相當(dāng)于與H2反應(yīng)生成H2O，會(huì)放出熱量，從而說明氧化裂解法中通入氧氣的作用是為反應(yīng)提供能量。

②其他條件相同，對(duì)于氧化裂化法制乙烯的反應(yīng)中，實(shí)驗(yàn)測(cè)得在T1和P1與T2和P2條件下該反應(yīng)的C2H6平衡轉(zhuǎn)化率相同，若T1＞T2，平衡逆向移動(dòng)，則改變壓強(qiáng)，平衡應(yīng)正向移動(dòng)，由反應(yīng)前后氣體的分子數(shù)關(guān)系，可確定為使平衡正向移動(dòng)，P1與P2的關(guān)系。

③利用蓋斯定律，借助②、③兩個(gè)反應(yīng)，可求出下列反應(yīng)的反應(yīng)熱：C2H6(g)＋O2(g)＝C2H4(g)＋H2O(l) ΔH3。

（2）①從反應(yīng)開始到平衡，C2H6的物質(zhì)的量濃度變化量為0.3mol·L－1，借助化學(xué)方程式，可求出C2H4的物質(zhì)的量濃度變化量為0.3mol·L－1，從而求出乙烯的平均反應(yīng)速率v(C2H4)。

②因?yàn)檎�反�?yīng)為吸熱反應(yīng)，升高溫度，平衡正向移動(dòng)，c(C2H4)增大，但求不出具體數(shù)值，只能得出濃度范圍為(0.3mol·L－1，0.5mol·L－1)，利用此分析，可作圖。

（3）乙烷的轉(zhuǎn)化率隨溫度的升高而升高的原因是雖然反應(yīng)放熱，但反應(yīng)未達(dá)平衡，此時(shí)升高溫度，反應(yīng)速率加快，反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率增大；反應(yīng)的最佳溫度為850℃，雖然溫度再升高，反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率仍增大，但幅度很小，且需要消耗大量的熱能，從經(jīng)濟(jì)上考慮，不合算。

（4）乙烷氧化裂解過程中的最佳值是2；判斷的理由是此時(shí)乙烯的收率基本恒定，增大，會(huì)形成積炭。

（5）摻混惰性氣體的目的是正反應(yīng)為氣體分子數(shù)增多的反應(yīng)，恒壓充入惰性氣體，相當(dāng)于擴(kuò)大容器的體積，降低分壓，有利于平衡正向移動(dòng)。

（6）該溫度下的平衡常數(shù)表達(dá)式為，代入表中數(shù)據(jù)，即可求出Kp。

（1）C2H6(g)＝C2H4(g)＋H2(g) ΔH1＝＋136kJ·mol－1 ①

C2H6(g)＋O2(g)＝C2H4＋H2O(g) ΔH2＝－110kJ·mol－1 ②

已知水的汽化熱為H2O(l)＝H2O(g) ΔH3＝＋44kJ·mol－1 ③

且反應(yīng)相關(guān)的部分化學(xué)鍵鍵能數(shù)據(jù)如下：

①將②-①得H2(g)+O2(g)＝H2O(g) ΔH＝－246kJ·mol－1，ΔH=436 kJ·mol－1+248 kJ·mol－1-2x=－246kJ·mol－1，從而求出x=465kJ·mol－1。通過①、②兩個(gè)熱化學(xué)方程式的比較可以看出，通入O2相當(dāng)于與H2反應(yīng)生成H2O，會(huì)放出熱量，從而說明氧化裂解法中通入氧氣的作用是氧氣反應(yīng)時(shí)放出熱量，為后續(xù)反應(yīng)提供能量，節(jié)約能源。答案為：465；氧氣反應(yīng)時(shí)放出熱量，為后續(xù)反應(yīng)提供能量，節(jié)約能源；

②若T1＞T2，平衡逆向移動(dòng)，則改變壓強(qiáng)，平衡應(yīng)正向移動(dòng)，由反應(yīng)前氣體的分子數(shù)比反應(yīng)后小，可確定為使平衡正向移動(dòng)，需減小壓強(qiáng)，從而得出P1<P2。答案為：<；

③利用蓋斯定律，將②-③得：C2H6(g)＋O2(g)＝C2H4(g)＋H2O(l) ΔH3=－154kJ·mol－1。答案為：－154kJ·mol－1；

（2）①從反應(yīng)開始到平衡，C2H6的物質(zhì)的量濃度變化量為0.3mol·L－1，借助化學(xué)方程式，可求出C2H4的物質(zhì)的量濃度變化量為0.3mol·L－1，從而求出乙烯的平均反應(yīng)速率v(C2H4)=。答案為：0.03mol/(Lmin)；

②因?yàn)檎�反�?yīng)為吸熱反應(yīng)，升高溫度，平衡正向移動(dòng)，c(C2H4)增大，但求不出具體數(shù)值，只能得出濃度范圍為(0.3mol·L－1，0.5mol·L－1)，利用此分析，可得出下圖。

(說明：圖中平衡時(shí)，c(C2H4)只要在0.3mol·L－1~0.5mol·L－1都正確)。答案為：(說明：圖中平衡時(shí)，c(C2H4)只要在0.3mol·L－1~0.5mol·L－1都正確)；

（3）乙烷的轉(zhuǎn)化率隨溫度的升高而升高的原因是雖然反應(yīng)放熱，但反應(yīng)未達(dá)平衡，此時(shí)升高溫度，反應(yīng)速率加快，反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率增大；反應(yīng)的最佳溫度為850℃，雖然溫度再升高，反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率仍增大，但幅度很小，且需要消耗大量的熱能，從經(jīng)濟(jì)上考慮，不合算。答案為：雖然反應(yīng)放熱，但反應(yīng)未達(dá)平衡，此時(shí)升高溫度，反應(yīng)速率加快，反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率增大；C；

（4）乙烷氧化裂解過程中的最佳值是2；判斷的理由是比值小于2時(shí)，乙烯的收率較低；比值大于2時(shí)，乙烯的收率增大很少但產(chǎn)生更多的積炭，堵塞反應(yīng)管；而比值為2時(shí)乙烯收率較高，反應(yīng)積炭較少。答案為：2；比值小于2時(shí)，乙烯的收率較低，比值大于2時(shí)，乙烯的收率增大很少但產(chǎn)生更多的積炭，堵塞反應(yīng)管，而比值為2時(shí)乙烯收率較高，反應(yīng)積炭較少；

（5）摻混惰性氣體的目的是正反應(yīng)為氣體分子數(shù)增多的反應(yīng)，恒壓充入惰性氣體，相當(dāng)于擴(kuò)大容器的體積，降低分壓，有利于平衡正向移動(dòng)。答案為：正反應(yīng)為氣體分子數(shù)增多的反應(yīng)，恒壓充入惰性氣體，相當(dāng)于擴(kuò)大容器的體積，降低分壓，有利于平衡正向移動(dòng)；

（6）該溫度下的平衡常數(shù)表達(dá)式為。答案為：。