Question

【題目】丙烯(C3H6)是重要的有機化工原料。丙烷直接脫氫制丙烯發生的主要反應及能量變化如圖：

回答下列問題：

（1）丙烷直接脫氫制丙烯為強吸熱過程，該反應必須在高溫下進行，但溫度越高副反應進行程度越大，同時還會降低催化劑的活性和選擇性。

①為提供反應所需熱量，恒壓時若向原料氣中摻入水蒸氣，則K(主反應)___(填“增大”、“減小”或“不變”)。

②溫度升高，副反應更容易發生的主要原因是_______。

（2）如圖為丙烷直接脫氫法中丙烷和丙烯的平衡體積分數與溫度、壓強的關系(圖中的壓強p1、p2分別為1×104 Pa和1×105 Pa)。

①1×104 Pa時，如圖中表示丙烯的曲線是____(填“ⅰ”、“ⅱ”、“ⅲ”或“ⅳ”)。

②1×105Pa、500℃時，若只發生上述主反應和副反應，則達平衡時，丙烷轉化為丙烯的轉化率為____。

（3）為克服丙烷直接脫氫法的缺點，科學家探索出在無機膜反應器中進行丙烷脫氫制丙烯的技術。在膜反應器中，利用特定功能膜將生成的氫氣從反應區一側有選擇性地及時移走。與丙烷直接脫氫法相比，該方法的優點是__________。

（4）利用CO2的弱氧化性，開發了丙烷氧化脫氫制丙烯的新工藝。該工藝可采用鉻的氧化物為催化劑，其反應機理如圖。

已知：CO和H2的燃燒熱分別為△H =－283.0kJ/mol、△H =－285.8kJ/mol。

①反應（ⅰ）的化學方程式為_____。

②25℃時，該工藝總反應的熱化學方程式為________。

③該工藝可以有效消除催化劑表面的積炭，維持催化劑活性，原因是_______。

Answer 1

【答案】增大 副反應的活化能低于主反應的活化能 ⅰ 16.5% 使反應始終未達到平衡狀態，突破反應限度，提高丙烯產率，且能保證催化劑具有較高的活性和選擇性 3C3H8 + 2CrO33C3H6 + Cr2O3 + 3H2O C3H8(g) + CO2C3H6(g) + CO(g) + H2O(l) △H =+121.5kJ/mol 碳與CO2反應生成CO，脫離催化劑表面

【解析】

（1）①丙烷脫氫制丙烯對應的化學方程式為C3H8（g）=C3H6（g）+H2（g），恒壓時向原料氣中摻入水蒸氣，體積增大，壓強減小，平衡向正反應方向進行；

②副反應活化能小；

（2）①壓強越大平衡逆向進行，丙烯體積分數越小；

②設丙烷起始量為1 mol，轉化為丙烯的物質的量為x mol，轉化為乙烯與甲烷的為ymol，再根據主反應與副反應列出關系式作答。

（3）①使反應始終未達到平衡狀態，突破反應限度，提高丙烯產率，且能保證催化劑具有較高的活性和選擇性；

（4）①根據圖示信息書寫；

②由蓋斯定律計算可得；

③該工藝中碳與CO2反應生成CO。

(1)①丙烷脫氫制丙烯對應的化學方程式為C3H8（g）=C3H6（g）+H2（g），△H1=+124.3kJ/mol，恒壓時向原料氣中摻入水蒸氣，體積增大，壓強減小，平衡向正反應方向進行，K(主反應)增大，丙烷轉化率α(C3H8)增大，故答案為：增大；

②副反應活化能小，溫度升高，副反應更容易發生，所以副反應更容易發生的主要原因是：Ea1＞Ea2，即副反應的活化能低于主反應的活化能，故答案為：副反應的活化能低于主反應的活化能；

(2)①C3H8（g）=C3H6（g）+H2（g），△H1=+124.3kJ/mol，溫度越高丙烯的體積分數越大；壓強越大平衡逆向進行，丙烯體積分數越小，丙烯是生成物，減壓過程中體積分數增大，由此判斷圖中表示丙烯的曲線是i，故答案為：i；

②由上圖溫度和壓強對物質體積分數的影響可以看出，1×105Pa、500℃時，丙烯的平衡體積分數為14%，丙烷的平衡體積分數為70%，設丙烷起始量為1 mol，轉化為丙烯的物質的量為x mol，轉化為乙烯與甲烷的為ymol，根據主反應為：C3H8（g）=C3H6（g）+H2（g），副反應：C3H8（g）=C2H4（g）+CH4（g）可知，反應后的氣體總得物質的量為(1+x+y)mol，則 ①，②，解得x=0.165mol，故轉化率為，故答案為：16.5%；

(3)利用特定功能膜將生成的氫氣從反應區一側有選擇性地及時移走，可以使反應始終未達到平衡狀態，突破反應限度，提高丙烯產率，且能保證催化劑具有較高的活性和選擇性，故答案為：使反應始終未達到平衡狀態，突破反應限度，提高丙烯產率，且能保證催化劑具有較高的活性和選擇性；

（4）①圖示信息中可以看出，C3H8與CrO3反應生成了C3H6與Cr2O3，則反應的化學方程式為：C3H8 + 2CrO33C3H6 + Cr2O3 + 3H2O，故答案為：C3H8 + 2CrO33C3H6 + Cr2O3 + 3H2O；

②由題意可得H2（g）+1/2O2（g）=H2O(l) △H =－285.8kJ/mol①；CO（g）+1/2O2（g）=CO2 (g) △H =－283.0kJ/mol②；C3H8（g）C3H6（g）+H2（g）△H =+124.3 kJ/mol③，由蓋斯定律③-②+①得熱化學方程式C3H8(g)+CO2C3H6(g)+CO(g)+H2O(l)，則△H =（+124.3 kJ/mol）+（－285.8kJ/mol）－（－283.0kJ/mol）=+121.5kJ/mol，故答案為：C3H8(g)+CO2C3H6(g)+CO(g)+H2O(l) △H =+121.5kJ/mol；

③該工藝中碳與CO2反應生成CO，可以有效消除催化劑表面的積炭，維持催化劑活性，故答案為：碳與CO2反應生成CO，脫離催化劑表面。