Question

【題目】丙烯(C3H6)是重要的有機(jī)化工原料。丙烷直接脫氫制丙烯發(fā)生的主要反應(yīng)及能量變化如圖：

回答下列問題：

（1）丙烷直接脫氫制丙烯為強(qiáng)吸熱過程，該反應(yīng)必須在高溫下進(jìn)行，但溫度越高副反應(yīng)進(jìn)行程度越大，同時還會降低催化劑的活性和選擇性。

①為提供反應(yīng)所需熱量，恒壓時若向原料氣中摻入水蒸氣，則K(主反應(yīng))___(填“增大”、“減小”或“不變”)。

②溫度升高，副反應(yīng)更容易發(fā)生的主要原因是_______。

（2）如圖為丙烷直接脫氫法中丙烷和丙烯的平衡體積分?jǐn)?shù)與溫度、壓強(qiáng)的關(guān)系(圖中的壓強(qiáng)p1、p2分別為1×104 Pa和1×105 Pa)。

①1×104 Pa時，如圖中表示丙烯的曲線是____(填“ⅰ”、“ⅱ”、“ⅲ”或“ⅳ”)。

②1×105Pa、500℃時，若只發(fā)生上述主反應(yīng)和副反應(yīng)，則達(dá)平衡時，丙烷轉(zhuǎn)化為丙烯的轉(zhuǎn)化率為____。

（3）為克服丙烷直接脫氫法的缺點(diǎn)，科學(xué)家探索出在無機(jī)膜反應(yīng)器中進(jìn)行丙烷脫氫制丙烯的技術(shù)。在膜反應(yīng)器中，利用特定功能膜將生成的氫氣從反應(yīng)區(qū)一側(cè)有選擇性地及時移走。與丙烷直接脫氫法相比，該方法的優(yōu)點(diǎn)是__________。

（4）利用CO2的弱氧化性，開發(fā)了丙烷氧化脫氫制丙烯的新工藝。該工藝可采用鉻的氧化物為催化劑，其反應(yīng)機(jī)理如圖。

已知：CO和H2的燃燒熱分別為△H =－283.0kJ/mol、△H =－285.8kJ/mol。

①反應(yīng)（�。┑幕瘜W(xué)方程式為_____。

②25℃時，該工藝總反應(yīng)的熱化學(xué)方程式為________。

③該工藝可以有效消除催化劑表面的積炭，維持催化劑活性，原因是_______。

Answer 1

【答案】增大 副反應(yīng)的活化能低于主反應(yīng)的活化能 ⅰ 16.5% 使反應(yīng)始終未達(dá)到平衡狀態(tài)，突破反應(yīng)限度，提高丙烯產(chǎn)率，且能保證催化劑具有較高的活性和選擇性 3C3H8 + 2CrO33C3H6 + Cr2O3 + 3H2O C3H8(g) + CO2C3H6(g) + CO(g) + H2O(l) △H =+121.5kJ/mol 碳與CO2反應(yīng)生成CO，脫離催化劑表面

【解析】

（1）①丙烷脫氫制丙烯對應(yīng)的化學(xué)方程式為C3H8（g）=C3H6（g）+H2（g），恒壓時向原料氣中摻入水蒸氣，體積增大，壓強(qiáng)減小，平衡向正反應(yīng)方向進(jìn)行；

②副反應(yīng)活化能�。�

（2）①壓強(qiáng)越大平衡逆向進(jìn)行，丙烯體積分?jǐn)?shù)越小；

②設(shè)丙烷起始量為1 mol，轉(zhuǎn)化為丙烯的物質(zhì)的量為x mol，轉(zhuǎn)化為乙烯與甲烷的為ymol，再根據(jù)主反應(yīng)與副反應(yīng)列出關(guān)系式作答。

（3）①使反應(yīng)始終未達(dá)到平衡狀態(tài)，突破反應(yīng)限度，提高丙烯產(chǎn)率，且能保證催化劑具有較高的活性和選擇性；

（4）①根據(jù)圖示信息書寫；

②由蓋斯定律計(jì)算可得；

③該工藝中碳與CO2反應(yīng)生成CO。

(1)①丙烷脫氫制丙烯對應(yīng)的化學(xué)方程式為C3H8（g）=C3H6（g）+H2（g），△H1=+124.3kJ/mol，恒壓時向原料氣中摻入水蒸氣，體積增大，壓強(qiáng)減小，平衡向正反應(yīng)方向進(jìn)行，K(主反應(yīng))增大，丙烷轉(zhuǎn)化率α(C3H8)增大，故答案為：增大；

②副反應(yīng)活化能小，溫度升高，副反應(yīng)更容易發(fā)生，所以副反應(yīng)更容易發(fā)生的主要原因是：Ea1＞Ea2，即副反應(yīng)的活化能低于主反應(yīng)的活化能，故答案為：副反應(yīng)的活化能低于主反應(yīng)的活化能；

(2)①C3H8（g）=C3H6（g）+H2（g），△H1=+124.3kJ/mol，溫度越高丙烯的體積分?jǐn)?shù)越大；壓強(qiáng)越大平衡逆向進(jìn)行，丙烯體積分?jǐn)?shù)越小，丙烯是生成物，減壓過程中體積分?jǐn)?shù)增大，由此判斷圖中表示丙烯的曲線是i，故答案為：i；

②由上圖溫度和壓強(qiáng)對物質(zhì)體積分?jǐn)?shù)的影響可以看出，1×105Pa、500℃時，丙烯的平衡體積分?jǐn)?shù)為14%，丙烷的平衡體積分?jǐn)?shù)為70%，設(shè)丙烷起始量為1 mol，轉(zhuǎn)化為丙烯的物質(zhì)的量為x mol，轉(zhuǎn)化為乙烯與甲烷的為ymol，根據(jù)主反應(yīng)為：C3H8（g）=C3H6（g）+H2（g），副反應(yīng)：C3H8（g）=C2H4（g）+CH4（g）可知，反應(yīng)后的氣體總得物質(zhì)的量為(1+x+y)mol，則 ①，②，解得x=0.165mol，故轉(zhuǎn)化率為，故答案為：16.5%；

(3)利用特定功能膜將生成的氫氣從反應(yīng)區(qū)一側(cè)有選擇性地及時移走，可以使反應(yīng)始終未達(dá)到平衡狀態(tài)，突破反應(yīng)限度，提高丙烯產(chǎn)率，且能保證催化劑具有較高的活性和選擇性，故答案為：使反應(yīng)始終未達(dá)到平衡狀態(tài)，突破反應(yīng)限度，提高丙烯產(chǎn)率，且能保證催化劑具有較高的活性和選擇性；

（4）①圖示信息中可以看出，C3H8與CrO3反應(yīng)生成了C3H6與Cr2O3，則反應(yīng)的化學(xué)方程式為：C3H8 + 2CrO33C3H6 + Cr2O3 + 3H2O，故答案為：C3H8 + 2CrO33C3H6 + Cr2O3 + 3H2O；

②由題意可得H2（g）+1/2O2（g）=H2O(l) △H =－285.8kJ/mol①；CO（g）+1/2O2（g）=CO2 (g) △H =－283.0kJ/mol②；C3H8（g）C3H6（g）+H2（g）△H =+124.3 kJ/mol③，由蓋斯定律③-②+①得熱化學(xué)方程式C3H8(g)+CO2C3H6(g)+CO(g)+H2O(l)，則△H =（+124.3 kJ/mol）+（－285.8kJ/mol）－（－283.0kJ/mol）=+121.5kJ/mol，故答案為：C3H8(g)+CO2C3H6(g)+CO(g)+H2O(l) △H =+121.5kJ/mol；

③該工藝中碳與CO2反應(yīng)生成CO，可以有效消除催化劑表面的積炭，維持催化劑活性，故答案為：碳與CO2反應(yīng)生成CO，脫離催化劑表面。