Question

【題目】乙烯是一種重要的化工原料，可由乙烷為原料制取。請回答下列問題：

（1）傳統的熱裂解法和現代的氧化裂解法的熱化學方程式如下：

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

且反應相關的部分化學鍵鍵能數據如下：

①由此計算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，對于氧化裂化法制乙烯的反應中，實驗測得在T1和P1與T2和P2條件下該反應的C2H6平衡轉化率相同，若T1＞T2，則P1___P2(填“＞”、“＜”或“＝”)。

③請求出下列反應的反應熱：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發生傳統裂解法制乙烯。

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

②在其它條件不變的情況下，15min時升高體系溫度，20min達到新平衡，請在下邊的坐標系中畫出0～25 min，c(C2H4)隨時間變化曲線：____。

（3）乙烷的氧化裂解反應產物中除了C2H4外，還存在CH4、CO、CO2等副產物(副反應均為放熱反應)，圖1為溫度對乙烷氧化裂解反應性能的影響。乙烷的轉化率隨溫度的升高而升高的原因是___；反應的最佳溫度為___(填選項序號)。

A.700℃ B.750℃ C.850℃ D.900℃

[乙烯選擇性＝；乙烯收率＝乙烷轉化率×乙烯選擇性]

（4）烴類氧化反應中，氧氣含量低會導致反應產生積炭，堵塞反應管。圖2為n(C2H6)/n(O2)的值對乙烷氧化裂解反應性能的影響。判斷乙烷氧化裂解過程中的最佳值是___；判斷的理由是___。

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

（6）反應達平衡時，各組分的體積分數如下表：

計算該溫度下的平衡常數Kp＝___(用平衡分壓代替平衡濃度，平衡分壓＝總壓×體積分數)

Answer 1

【答案】465 氧氣反應時放出熱量，為后續反應提供能量，節約能源 < －154kJ·mol－1 0.03mol/(Lmin) (說明：圖中平衡時，c(C2H4)只要在0.3mol·L－1~0.5mol·L－1都正確) 雖然反應放熱，但反應未達平衡，此時升高溫度，反應速率加快，反應物的轉化率增大 C 2 比值小于2時，乙烯的收率較低，比值大于2時，乙烯的收率增大很少但產生更多的積炭，堵塞反應管，而比值為2時乙烯收率較高，反應積炭較少 正反應為氣體分子數增多的反應，恒壓充入惰性氣體，相當于擴大容器的體積，降低分壓，有利于平衡正向移動

【解析】

（1）傳統的熱裂解法和現代的氧化裂解法的熱化學方程式如下：

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

且反應相關的部分化學鍵鍵能數據如下：

①計算x前，首先看表中數據，預測應通過已知反應，求出H2(g)+O2(g)＝H2O(g)的ΔH，然后利用鍵能進行計算。通過①、②兩個熱化學方程式的比較可以看出，通入O2相當于與H2反應生成H2O，會放出熱量，從而說明氧化裂解法中通入氧氣的作用是為反應提供能量。

②其他條件相同，對于氧化裂化法制乙烯的反應中，實驗測得在T1和P1與T2和P2條件下該反應的C2H6平衡轉化率相同，若T1＞T2，平衡逆向移動，則改變壓強，平衡應正向移動，由反應前后氣體的分子數關系，可確定為使平衡正向移動，P1與P2的關系。

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

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

②因為正反應為吸熱反應，升高溫度，平衡正向移動，c(C2H4)增大，但求不出具體數值，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）乙烷的轉化率隨溫度的升高而升高的原因是雖然反應放熱，但反應未達平衡，此時升高溫度，反應速率加快，反應物的轉化率增大；反應的最佳溫度為850℃，雖然溫度再升高，反應物的轉化率仍增大，但幅度很小，且需要消耗大量的熱能，從經濟上考慮，不合算。

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

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

（6）該溫度下的平衡常數表達式為，代入表中數據，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

且反應相關的部分化學鍵鍵能數據如下：

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、②兩個熱化學方程式的比較可以看出，通入O2相當于與H2反應生成H2O，會放出熱量，從而說明氧化裂解法中通入氧氣的作用是氧氣反應時放出熱量，為后續反應提供能量，節約能源。答案為：465；氧氣反應時放出熱量，為后續反應提供能量，節約能源；

②若T1＞T2，平衡逆向移動，則改變壓強，平衡應正向移動，由反應前氣體的分子數比反應后小，可確定為使平衡正向移動，需減小壓強，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從反應開始到平衡，C2H6的物質的量濃度變化量為0.3mol·L－1，借助化學方程式，可求出C2H4的物質的量濃度變化量為0.3mol·L－1，從而求出乙烯的平均反應速率v(C2H4)=。答案為：0.03mol/(Lmin)；

②因為正反應為吸熱反應，升高溫度，平衡正向移動，c(C2H4)增大，但求不出具體數值，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，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，c(C2H4)只要在0.3mol·L－1~0.5mol·L－1都正確)；

（3）乙烷的轉化率隨溫度的升高而升高的原因是雖然反應放熱，但反應未達平衡，此時升高溫度，反應速率加快，反應物的轉化率增大；反應的最佳溫度為850℃，雖然溫度再升高，反應物的轉化率仍增大，但幅度很小，且需要消耗大量的熱能，從經濟上考慮，不合算。答案為：雖然反應放熱，但反應未達平衡，此時升高溫度，反應速率加快，反應物的轉化率增大；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，乙烯的收率較低；比值大于2時，乙烯的收率增大很少但產生更多的積炭，堵塞反應管；而比值為2時乙烯收率較高，反應積炭較少。答案為：2；比值小于2時，乙烯的收率較低，比值大于2時，乙烯的收率增大很少但產生更多的積炭，堵塞反應管，而比值為2時乙烯收率較高，反應積炭較少；

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

（6）該溫度下的平衡常數表達式為。答案為：。