Question

【題目】丙烯是一種重要的化工原料，可通過丁烯催化裂解或丁烯與甲醇耦合制備。

Ⅰ．丁烯催化裂解生產丙烯的反應方程式是2C4H8(g)2C3H6(g)+ C2H4(g)。

(1)已知C4H8、C3H6、C2H4的燃燒熱分別為2710.0 kJmol－1、2050.0 kJmol－1、1410.0 kJmol－1，則該反應的ΔH＝_______ kJmol－1。下列操作既能提高C4H8的平衡轉化率，又能加快反應速率的是_________。

A．升高溫度 B．增大壓強

C．增大C4H8的濃度 D．使用更高效的催化劑

(2)某溫度下，在體積為2 L的剛性密閉容器中充入2.00 mol C4H8進行上述反應，容器內的總壓強p隨時間t的變化如下表所示：

反應時間t/min	0	2	4	6	8	10	12
總壓強p/kPa	4.00	4.51	4.80	4.91	4.96	5.00	5.00

則0~10 min內υ(C4H8)＝_______ molL－1min－1，該溫度下的平衡常數K＝_______kPa（用氣體的分壓表示）。

Ⅱ．將甲醇轉化耦合到丁烯裂解過程中生產丙烯，主要涉及下列反應：

① 2C4H8(g)2C3H6(g)+ 2H4(g) ΔH＞0

② 2CH3OH(g)C2H4(g) + 2H2O(g) ΔH＜0

③ C2H4(g)+ C4H8(g)2C3H6(g) ΔH＜0

已知：甲醇吸附在催化劑上，可以活化催化劑；甲醇濃度過大也會抑制丁烯在催化劑上的轉化。

(3)圖1是C3H6及某些副產物的產率與n(CH3OH)/n(C4H8)的關系曲線。最佳的n(CH3OH)/n(C4H8)約為_________。

(4)圖2是某壓強下，將CH3OH和C4H8按一定的物質的量之比投料，反應達到平衡時C3H6的體積分數隨溫度的變化曲線。由圖可知平衡時C3H6的體積分數隨溫度的升高呈現先升高后降低，其原因可能是__________________________________________________。

(5)下列有關將甲醇轉化耦合到丁烯裂解過程中生產丙烯的說法正確的是________。

A．增大甲醇的通入量一定可以促進丁烯裂解

B．甲醇轉化生成的水可以減少催化劑上的積碳，延長催化劑的壽命

C．提高甲醇與丁烯的物質的量的比值不能提高丙烯的平衡組成

D．將甲醇轉化引入丁烯的裂解中，可以實現反應熱效應平衡，降低能耗

Answer 1

【答案】＋90.0 A 0.0500 1 1 300~500℃時，丁烯裂解（反應①）為主要反應，是吸熱反應，升高溫度，平衡正移，使C3H6的體積分數增大；溫度高于500℃時，反應②③均為主要反應，是放熱反應，升高溫度，平衡逆移，使C3H6的體積分數降低，同時溫度升高易發生副反應，C3H6可能轉化為C2H4、C3H8、C4H10、C5＋等，使C3H6的體積分數降低 BD

【解析】

Ⅰ．（1）已知：C4H8、C3H6、C2H4的燃燒熱分別為2710.0 kJmol－1、2050.0 kJmol－1、1410.0 kJmol－1，則：①C4H8（g）+6O2（g）═4CO2（g）+4H2O（l）△H1=-2710.0kJ·mol－1；②2C3H6（g）+9O2（g）═3CO2（g）+3H2O（l）△H2=-4100.0kJ·mol－1；③C2H4（g）+3O2（g）═2CO2（g）+2H2O（l）△H3=-1410.0kJ·mol－1；根據蓋斯定律，①×2-②-③可得：2C4H8(g)2C3H6(g)+ C2H4(g)，即可計算△H；再結合影響反應速率的因素和平衡的移動分析判斷；

(2)在恒溫恒容的密閉容器中，壓強與氣體的總物質的量成正比，當反應進行到10min時達到平衡，此時容器內氣體總物質的量為2mol×=2.5mol，設反應生成的C2H4(g)的物質的量為nmol，則：

2C4H8(g)2C3H6(g)+ C2H4(g)

起始物質的量（mol） 2 0 0

變化物質的量（mol） 2n 2n n

平衡物質的量（mol） 2-2n 2n n

則（2-2n）+2n+n=2.5，解得：n=0.5；結合反應速率和平衡常數公式進行計算；

Ⅱ．(3)根據圖1分析C3H6產率最高時n(CH3OH)/n(C4H8)的比值；

(4)結合溫度對反應速率的影響和對反應①②③平衡時的影響分析；

(5)結合平衡移動原理逐一分析判斷各選項。

Ⅰ．（1）已知：C4H8、C3H6、C2H4的燃燒熱分別為2710.0 kJmol－1、2050.0 kJmol－1、1410.0 kJmol－1，則：①C4H8（g）+6O2（g）═4CO2（g）+4H2O（l）△H1=-2710.0kJ·mol－1；②2C3H6（g）+9O2（g）═3CO2（g）+H2O（l）△H2=-4100.0kJ·mol－1；③C2H4（g）+3O2（g）═2CO2（g）+2H2O（l）△H3=-1410.0kJ·mol－1；根據蓋斯定律，①×2-②-③×2可得：2C4H8(g)2C3H6(g)+ C2H4(g)，則此反應的△H=（-2710.0kJ·mol－1）×2-（-4100.0kJ·mol－1）-（-1410.0kJ·mol－1）=＋90.0kJ·mol－1；

A．升高溫度，反應速率加快，且平衡向正反應方向移動，能提高C4H8的平衡轉化率，故A正確；B．增大壓強，反應速率加快，但平衡向逆反應方向移動，降低C4H8的平衡轉化率，故B錯誤；C．增大C4H8的濃度，反應速率加快，但C4H8的平衡轉化率降低，故C錯誤；D．使用更高效的催化劑，反應速率加快，但平衡不移動，不影響C4H8的平衡轉化率，故D錯誤；故答案為A；

(2)在恒溫恒容的密閉容器中，壓強與氣體的總物質的量成正比，當反應進行到10min時達到平衡，此時容器內氣體總物質的量為2mol×=2.5mol，設反應生成的C2H4(g)的物質的量為nmol，則：

2C4H8(g)2C3H6(g)+ C2H4(g)

起始物質的量（mol） 2 0 0

變化物質的量（mol） 2n 2n n

平衡物質的量（mol） 2-2n 2n n

則（2-2n）+2n+n=2.5，解得：n=0.5；

故0~10 min內υ(C4H8)＝mol·L－1·min－1=0.0500mol·L－1·min－1；該溫度下的平衡常數K＝=1kPa；

Ⅱ．(3)由圖1可知當n(CH3OH)/n(C4H8)約為1時C3H6的產率是最高；

(4)由圖2可知，300~500℃時，丁烯裂解(反應①)為主要反應，是吸熱反應，升高溫度，平衡正移，使C3H6的體積分數增大；溫度高于500℃時，反應②③均為主要反應，是放熱反應，升高溫度，平衡逆移，使C3H6的體積分數降低，同時溫度升高易發生副反應，C3H6可能轉化為C2H4、C3H8、C4H10、C5＋等，使C3H6的體積分數降低。

(5)A．反應②中生成的C2H4抑制反應①中C4H8(g)的分解，則增大甲醇的通入量不一定可以促進丁烯裂解，故A錯誤；B．碳和水在高溫度下生成CO和H2，則甲醇轉化生成的水可以減少催化劑上的積碳，延長催化劑的壽命，故B正確；C．反應②中生成的C2H4促進反應③中C4H8(g)轉化為C3H6(g)，有利于提高丙烯的產量，則適當提高甲醇與丁烯的物質的量的比值可以提高丙烯的平衡組成，故C錯誤；D．反應②中提高甲醇的量，可利用反應放出的熱量促進反應①平衡正向移動，達到反應熱效應平衡，降低能耗效果，故D正確；故答案為BD。