Question

【題目】甲苯(C7H8)和二甲苯(C8H10)是重要的化工原料。利用苯(C6H6)和甲醇(CH3OH)在催化劑作用下反應(yīng)得到C7H8、C8H10和副產(chǎn)物三甲苯(C9H12)，發(fā)生的主要反應(yīng)如下：

Ⅰ.C6H6(g)+CH3OH(g)C7H8(g)+H2O(g)

Ⅱ.C7H8(g)+CH3OH(g)C8H10(g)+H2O(g)

Ⅲ.C8H10(g)+CH3OH(g)C9H12(g)+H2O(g)

(1)500℃、0.18Mpa條件下，反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，結(jié)果如圖所示。

①由圖分析，隨著投料比增加，CH3OH的平衡轉(zhuǎn)化率___，平衡時(shí)的值___。(填“增大”、“減小”或“不變”)

②投料比為1.0時(shí)，C6H6的平衡轉(zhuǎn)化率為50%，產(chǎn)物中C7H8、C8H10和C9H12物質(zhì)的量之比為6︰3︰1。CH3OH的平衡轉(zhuǎn)化率為___，反應(yīng)I的平衡常數(shù)K=___。

(2)我國(guó)學(xué)者結(jié)合實(shí)驗(yàn)與計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果，研究了反應(yīng)I在固體酸(HB)催化劑表面進(jìn)行的反應(yīng)歷程如圖所示。其中吸附在固體酸(HB)表面的物種用*標(biāo)注。

①反應(yīng)I的H=___kJ·mol-1。

②吸附CH3OH的焓變___吸附C6H6的焓變(填“＞”或“＜”)。

③C6H6*在催化劑表面轉(zhuǎn)化為C7H8*的反應(yīng)方程式為___。

④在固體酸(HB)催化作用下，測(cè)得反應(yīng)I的速率方程為v=kp(C6H6)(k為速率常數(shù))。在剛性容器中發(fā)生反應(yīng)I，關(guān)于反應(yīng)I的平衡常數(shù)(K)和反應(yīng)速率(v)的敘述正確的是__(填標(biāo)號(hào))。

A.升高溫度，K和v均增大

B.增大p(C6H6)，K不變，v增大

C.降低溫度，K和v均減小

D.增大p(CH3OH)，K不變，v增大

Answer 1

【答案】減小 增大 75% 1.8 -61.4 ＜ C6H6*+H2O+CH3B=C7H8*+H2O+HB B

【解析】

(1)①由圖分析，隨著投料比增加，苯(C6H6)的轉(zhuǎn)化率在增加，CH3OH的物質(zhì)的量在增加，平衡轉(zhuǎn)化率減小，根據(jù)平衡移動(dòng)的方向判斷平衡時(shí)的值的變化；

②設(shè)當(dāng)設(shè)C6H6的平衡轉(zhuǎn)化率為50%，產(chǎn)物中C7H8、C8H10和C9H12物質(zhì)的量分別為6mol、3mol、1mol，則反應(yīng)ⅢC8H10(g)+CH3OH(g)C9H12(g)+H2O(g)中平衡時(shí)，C8H10和C9H12的物質(zhì)的量分別為3mol、1mol，則反應(yīng)Ⅲ中C8H10(g)的初始投料為4mol，即平衡時(shí)反應(yīng)ⅡC7H8(g)+CH3OH(g)C8H10(g)+H2O(g)平衡時(shí)，C7H8、C8H10的物質(zhì)的量分別為6mol和4mol，則反應(yīng)Ⅱ中C7H8初始量為10mol，即平衡時(shí)反應(yīng)ⅠC6H6(g)+CH3OH(g)C7H8(g)+H2O(g)中C7H8(g)平衡時(shí)的物質(zhì)的量為10mol，則反應(yīng)ⅠC6H6(g)和CH3OH(g)的轉(zhuǎn)化量為10mol，根據(jù)投料比為1.0時(shí)，設(shè)C6H6的平衡轉(zhuǎn)化率為50%，則反應(yīng)Ⅰ中C6H6(g)和CH3OH(g) 的初始投入量相等，都為20mol，據(jù)此列三段式計(jì)算解答；

(2)①結(jié)合反應(yīng)I的方程式：C6H6(g)+CH3OH(g)C7H8(g)+H2O(g)，根據(jù)圖示，利用蓋斯定律解答；

②根據(jù)圖示中，吸附CH3OH的焓變和吸附C6H6的焓變數(shù)值進(jìn)行比較判斷；

③根據(jù)圖示，找到C6H6*和C7H8*所在的位置書寫反應(yīng)方程式；

④根據(jù)①中分析可知，反應(yīng)I的方程式為：C6H6(g)+CH3OH(g)C7H8(g)+H2O(g)，正反應(yīng)為放熱反應(yīng)；該體系反應(yīng)前后氣體分子數(shù)目不變，平衡常數(shù)只與溫度有關(guān)，溫度不變平衡常數(shù)不變，結(jié)合外界條件對(duì)反應(yīng)速率的影響分析判斷速率的變化。

(1)①由圖分析，隨著投料比增加，苯(C6H6)的轉(zhuǎn)化率在增加，CH3OH的物質(zhì)的量在增加，平衡轉(zhuǎn)化率減��；根據(jù)圖像，結(jié)合三個(gè)反應(yīng)，苯(C6H6)的轉(zhuǎn)化率與C7H8、C8H10和C9H12三種產(chǎn)物的產(chǎn)量成正比關(guān)系，圖像中苯(C6H6)的轉(zhuǎn)化率與C7H8、C8H10的產(chǎn)量之差，應(yīng)為C9H12的產(chǎn)量，根據(jù)圖顯示，C9H12的產(chǎn)量在增大，則的值增大；

②設(shè)C6H6的平衡轉(zhuǎn)化率為50%，產(chǎn)物中C7H8、C8H10和C9H12物質(zhì)的量分別為6mol、3mol、1mol，則反應(yīng)ⅢC8H10(g)+CH3OH(g)C9H12(g)+H2O(g)中平衡時(shí)，C8H10和C9H12的物質(zhì)的量分別為3mol、1mol，則反應(yīng)Ⅲ中C8H10(g)的初始投料為4mol，即平衡時(shí)反應(yīng)ⅡC7H8(g)+CH3OH(g)C8H10(g)+H2O(g)平衡時(shí)，C7H8、C8H10的物質(zhì)的量分別為6mol和4mol，則反應(yīng)Ⅱ中C7H8初始量為10mol，即平衡時(shí)反應(yīng)ⅠC6H6(g)+CH3OH(g)C7H8(g)+H2O(g)中C7H8(g)平衡時(shí)的物質(zhì)的量為10mol，則反應(yīng)ⅠC6H6(g)和CH3OH(g)的轉(zhuǎn)化量為10mol，根據(jù)投料比為1.0時(shí)，設(shè)C6H6的平衡轉(zhuǎn)化率為50%，則反應(yīng)Ⅰ中C6H6(g)和CH3OH(g) 的初始投入量相等，都為20mol，據(jù)此列三段式可得：

根據(jù)以上轉(zhuǎn)化后，平衡時(shí)CH3OH剩余5mol，則CH3OH平衡轉(zhuǎn)化率為×100%=75%，反應(yīng)I體系中各物質(zhì)反應(yīng)計(jì)量系數(shù)都為1，則物質(zhì)的量的變化量可代表濃度變化量，體系平衡時(shí)，CH3OH物質(zhì)的量為5mol，C6H6的物質(zhì)的量為10mol，C7H8的物質(zhì)的量為6mol，水蒸氣的物質(zhì)的量為15mol，則平衡常數(shù)K=；

(2)①反應(yīng)I的方程式為：C6H6(g)+CH3OH(g)C7H8(g)+H2O(g)，根據(jù)圖示，反應(yīng)物的總能量高于生成物的總能量，為放熱反應(yīng)，利用蓋斯定律，反應(yīng)熱只與始態(tài)和終態(tài)有關(guān)，與反應(yīng)過程無關(guān)，則H=-61.4kJ·mol-1；

②根據(jù)圖示，吸附CH3OH的焓變?yōu)?/span>-109.9 kJ·mol-1，吸附C6H6的焓變?yōu)?/span>-66.4 kJ·mol-1，二者焓變都小于0，則吸附CH3OH的焓變＜吸附C6H6的焓變；

③根據(jù)圖示，C6H6*在催化劑表面轉(zhuǎn)化為C7H8*的反應(yīng)方程式為C6H6*+H2O+CH3B=C7H8*+H2O+HB；

④根據(jù)①中分析可知，反應(yīng)I的方程式為：C6H6(g)+CH3OH(g)C7H8(g)+H2O(g)，正反應(yīng)為放熱反應(yīng)；該體系反應(yīng)前后氣體分子數(shù)目不變，

A．升高溫度，平衡逆向移動(dòng)，則K減小，升高溫度反應(yīng)速率v增大，故A錯(cuò)誤；

B．平衡常數(shù)只與溫度有關(guān)，溫度不變，平衡常數(shù)K不變，增大p(C6H6)，根據(jù)v=kp(C6H6)，則反應(yīng)v增大，故B正確

C．降低溫度，平衡向正向移動(dòng)，平衡常數(shù)K增大，降溫反應(yīng)速率v減小，故C錯(cuò)誤；

D．平衡常數(shù)只與溫度有關(guān)，溫度不變，平衡常數(shù)K不變，增大p(CH3OH)，體系中各組分的壓強(qiáng)都增大，反應(yīng)速率v增大，故D錯(cuò)誤；

答案選B。