Question

工業上采用乙苯與CO₂脫氫生產重要化工原料苯乙烯

其中乙苯在CO₂氣氛中的反應可分兩步進行

（1）上述乙苯與CO₂反應的反應熱△H為________________________。
（2）①乙苯與CO₂反應的平衡常數表達式為：K=______________________。
②下列敘述不能說明乙苯與CO₂反應已達到平衡狀態的是_____________________。
a．v_正(CO)=v_逆(CO)                   b．c(CO₂)=c(CO)
c．消耗1mol CO₂同時生成1molH₂O      d．CO₂的體積分數保持不變
（3）在3L密閉容器內，乙苯與CO₂的反應在三種不同的條件下進行實驗，乙苯、CO₂的起始濃度分別為1.0mol/L和3.0mol/L，其中實驗I在T₁℃、0.3MPa，而實驗II、III分別改變了實驗其他條件；乙苯的濃度隨時間的變化如圖I所示。

①實驗I乙苯在0～50min時的反應速率為_______________。
②實驗II可能改變條件的是__________________________。
③圖II是實驗I中苯乙烯體積分數V%隨時間t的變化曲線，請在圖II中補畫實驗Ⅲ中苯乙烯體積分數V%隨時間t的變化曲線。
（4）若實驗I中將乙苯的起始濃度改為1.2mol/L，其他條件不變，乙苯的轉化率將（填“增大”、“減小”或“不變”），計算此時平衡常數為_____________________。

Answer 1

（16分）（1）－166kJ/mol（2分）
（2）     bc（每空2分 共4分）
（3）①0.012mol/(L?min)    ②加入催化劑  
③（每空2分共6分）
（4）減小（2分）    0.225 （2分）

試題分析：（1）觀察三個熱化學方程式，發現已知焓變的A+B可以得到乙苯與二氧化碳的反應，根據蓋斯定律，則乙苯與二氧化碳反應的焓變=△H₁+△H₂=[(—125)+(—41)]kJ/mol=—166kJ/mol；（2）①觀察乙苯與二氧化碳反應的化學方程式，發現各組分都是氣體，系數都是1，則該反應的平衡常數K=[c(C₆H₅CH=CH₂)?c(CO) ?c(H₂O)]/[c(C₆H₅CH₂CH₃) ?c(CO₂)]；②同一種物質表示的正反應速率等于逆反應速率，說明已達平衡，故a錯誤；雖然各組分的變化濃度之比等于化學方程式中系數之比，但是各組分的平衡濃度之比不一定等于化學方程式中系數之比，因此二氧化碳和一氧化碳濃度相等時反應不一定達到平衡，故b正確；二氧化碳和水的系數之比等于1∶1，消耗1molCO₂同時生成1molH₂O，說明不同物質的正反應速率等于化學方程式中系數之比，缺少逆反應速率，因此不能說明達到平衡，故c正確；二氧化碳是反應物，其體積分數逐漸減小，若保持不變，說明反應已達平衡，故d錯誤；（3）①觀察圖I，0～50min內△c(乙苯)=（1.0—0.4）mol/L=0.6mol/L，由于v=△c/△t，則v(乙苯)= 0.6mol/L÷50min=0.012mol/(L?min)；②對比圖I、圖II，發現I→II時，單位時間內乙苯的變化濃度增大，說明反應速率加快，但是平衡時乙苯的濃度相等，說明平衡沒有移動；由于乙苯與二氧化碳的反應是氣體體積增大的放熱反應，根據濃度、壓強、溫度和催化劑對化學平衡的影響規律推斷，實驗II可能改變的條件是加入催化劑；③同理，推斷實驗I→III時，反應速率增大，平衡向逆反應方向移動，說明改變的條件是升高溫度，因此畫出的曲線滿足以下幾個要點：起點與實驗I相同，未達平衡前，實驗III的反應速率比I大，平衡后苯乙烯的體積分數比實驗I的小；（4）增大乙苯的濃度，雖然平衡右移，乙苯的變化濃度增大，但是乙苯的起始濃度也增大，且變化濃度增大的程度小于起始濃度增大的程度，因此乙苯的轉化率減小；平衡常數只與溫度有關，與濃度改變無關，因此實驗I中各組分的平衡濃度計算出的平衡常數就是此時的平衡常數，依題意可知實驗I反應中各組分的起始、變化、平衡濃度，則：
C₆H₅CH₂CH₃(g)+CO₂(g) C₆H₅CH=CH₂(g)+CO(g)+H₂O(g)
起始濃度/ mol?Lˉ¹            1.0       3.0             0         0      0
變化濃度/ mol?Lˉ¹            0.6       0.6            0.6        0.6     0.6
平衡濃度/ mol?Lˉ¹            0.4       2.4            0.6        0.6     0.6
K=[c(C₆H₅CH=CH₂)?c(CO) ?c(H₂O)]/[c(C₆H₅CH₂CH₃) ?c(CO₂)]="(" 0.6×0.6×0.6)/( 0.4×2.4)=0.225。