Question

【題目】異丁烯是一種重要的化工原料，可由異丁烷直接催化脫氫制備：

(1)已知：

寫出由異丁烷催化脫氫制備異丁烯的熱化學(xué)方程式。_________。

(2)一定條件下，以異丁烷為原料催化脫氫生產(chǎn)異丁烯。溫度、壓強(qiáng)的改變對(duì)異丁烷平衡轉(zhuǎn)化率的影響如圖所示。

①判斷、的大小關(guān)系：_____________(填“>”或“<”)；能使單位時(shí)間內(nèi)異丁烯的產(chǎn)量提高，又能使異丁烷平衡產(chǎn)率提高，應(yīng)采取的措施是____________(填標(biāo)號(hào))。

a．升高溫度 b．降低溫度 c．增大壓強(qiáng) d．降低壓強(qiáng) ｅ．使用催化劑

②平衡常數(shù)的表達(dá)式中的平衡濃度可以用平衡時(shí)各氣體的分壓代替(氣體a的分壓=氣體a的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)×總壓強(qiáng)，即(總)。求圖中的A點(diǎn)狀態(tài)下的異丁烷脫氫反應(yīng)的平衡常數(shù)_____________(保留兩位有效數(shù)字)。

(3)溫度對(duì)催化劑的活性和目標(biāo)產(chǎn)物的選擇性都有一定的影響。下表是以為催化劑，在反應(yīng)時(shí)間相同時(shí)，測得的不同溫度下的數(shù)據(jù)。

溫度/℃	550	570	590	610	630
異丁烷轉(zhuǎn)化率/%	13.8	24.5	25.6	30.0	33.3
異丁烯選擇性/%	93.9	88.3	95.0	80.4	71.2
異丁烯的產(chǎn)率/%	12.9	21.6	w	24.1	23.7

已知①選擇性；②異丁烷高溫下裂解生成短碳鏈烴類化合物

①590℃時(shí)異丁烯的產(chǎn)率_____________×100%。

②在590℃之前異丁烯的產(chǎn)率隨溫度升高而增大的原因可能是____________、_____________。

③590℃之后，異丁烯產(chǎn)率降低的主要原因可能是_____________。

Answer 1

【答案】C4H10(g)=C4H8(g)+H2(g) △H=+123kJmol-1 > a 0.18 0.243 升高溫度，平衡正向移動(dòng) 升高溫度，反應(yīng)速率加快 異丁烷高溫下裂解生成短碳鏈烴類化合物，有副產(chǎn)物生成，產(chǎn)率降低。

【解析】

根據(jù)題中給出的熱化學(xué)方程式，由蓋斯定律可求得；根據(jù)題中圖示關(guān)系，可判斷T1和T2關(guān)系及采取的措施；根據(jù)化學(xué)平衡方程式和A點(diǎn)的轉(zhuǎn)化率，由三段式求出Kp值；根據(jù)異丁烷的轉(zhuǎn)化率和異丁烯的選擇性，可求出異丁烯的產(chǎn)率；由化學(xué)平衡方程式結(jié)合所給的圖和題目提供的信息判斷590℃前產(chǎn)率升高的原因和590℃以后產(chǎn)率下降的原因，據(jù)此解答。

（1）由①C4H10(g)+O2(g)=C4H8(g)+H2O(g)△H1=-119 kJmol-1和②H2(g)+O2(g)=H2O(g)△H2=-242kJ·mol-1，根據(jù)蓋斯定律可知，①-②得到C4H10(g)=C4H8(g)+H2(g)，則△H=（-119kJmol-1）-（-242kJmol-1）=+123kJmol-1；答案為：C4H10(g)=C4H8(g)+H2(g)△H=+123kJmol-1。

（2）①由圖可知，橫坐標(biāo)是壓強(qiáng)，縱坐標(biāo)是異丁烷的平衡轉(zhuǎn)化率，取相同的壓強(qiáng)條件下，作一虛直線交T1曲線于a點(diǎn)，交T2曲線于b點(diǎn)，則a點(diǎn)對(duì)應(yīng)的異丁烷的平衡轉(zhuǎn)化率>b點(diǎn)對(duì)應(yīng)的異丁烷的平衡轉(zhuǎn)化率，根據(jù)C4H10(g)=C4H8(g)+H2(g) +123△H=+123kJmol-1，△H>0，反應(yīng)是吸熱的，升高溫度，平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，異丁烷的平衡轉(zhuǎn)化率才增大，所以溫度T1>T2，能使單位時(shí)間內(nèi)異丁烯的產(chǎn)量提高，又能使異丁烷平衡產(chǎn)率提高，由于該反應(yīng)是一個(gè)吸熱反應(yīng)，且是一個(gè)氣體體積增大的反應(yīng)，所以應(yīng)采取的措施為；

a．升高溫度，既能增大反應(yīng)速率，又能使平衡正向移動(dòng)，故a符合要求；

b．降低溫度，反應(yīng)速率減小，平衡逆向移動(dòng)，故b不符合要求；

c．增大壓強(qiáng)，反應(yīng)速率增大，平衡逆向移動(dòng)，故c不符合要求；

d．降低壓強(qiáng)，反應(yīng)速率減小，平衡正向移動(dòng)，能提高產(chǎn)率，但反應(yīng)速率減小，單位時(shí)間內(nèi)異丁烯的產(chǎn)量不一定提高，故d不符合要求；

e．使用催化劑，對(duì)平衡移動(dòng)無影響，不會(huì)提高異丁烷的平衡轉(zhuǎn)化率，故e不符合要求；答案為>，a。

②平衡常數(shù)的表達(dá)式中的平衡濃度可以用平衡時(shí)各氣體的分壓代替(氣體a的分壓=氣體a的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)×總壓強(qiáng)，即(總)。圖中的A點(diǎn)狀態(tài)下，總壓強(qiáng)p=0.1MPa，異丁烷的平衡轉(zhuǎn)化率為80%，設(shè)起始狀態(tài)C4H10物質(zhì)的量為1mol，根據(jù)變化的量=起始的量×轉(zhuǎn)化率可知，達(dá)平衡時(shí)n(C4H10)=1-1×80%=0.2mol，n(C4H8)=0.8mol，n(H2)=0.8mol,則各分壓為p(C4H10)=×0.1MPa= MPa，p(C4H8)=×0.1MPa= MPa，同理，p(H2)= MPa，平衡常數(shù)Kp= = =0.18；答案為0.18。

（3）①根據(jù)異丁烷的轉(zhuǎn)化率=×100%和異丁烯的選擇性=，由C4H10(g)=C4H8(g)+H2(g) +123△H=+123kJmol-1方程式可知，消耗異丁烷的物質(zhì)的量與生成異丁烯的物質(zhì)的量相等的，所以，根據(jù)異丁烷的起始量求出異丁烯的理論產(chǎn)量，根據(jù)生成目標(biāo)產(chǎn)物所消耗的反應(yīng)物的量可求出異丁烯的實(shí)際產(chǎn)量，由異丁烯的產(chǎn)率= ×100%，可知在590℃時(shí)，異丁烷的轉(zhuǎn)化率為25.6%，異丁烯的選擇性為95%，則異丁烯的產(chǎn)率=25.6%×95%=0.243；答案為0.243。

②該反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，升高溫度，反應(yīng)速率加快，平衡正向移動(dòng)；答案為升高溫度，平衡正向移動(dòng)；升高溫度，反應(yīng)速率加快。

③高于590℃后，異丁烷高溫下裂解生成短碳鏈烴類化合物，有副產(chǎn)物生成，導(dǎo)致異丁烯產(chǎn)率降低；答案為異丁烷高溫下裂解生成短碳鏈烴類化合物，有副產(chǎn)物生成，異丁烯產(chǎn)率降低。