Question

【題目】乙酸是生物油的主要成分之一，乙酸制氫具有重要意義：

反應(yīng)I（熱裂解）：CH3COOH(g)2CO(g)+2H2(g) △H1

反應(yīng)II（脫羧基）：CH3COOH(g)CH4(g)+CO2(g) △H2

已知：反應(yīng)I的活化能為（E5-E2）kJ，反應(yīng)I逆反應(yīng)的活化能為（E5-E3）kJ，反應(yīng)II的活化能為（E4-E2）kJ，反應(yīng)II逆反應(yīng)的活化能為（E4-E1）kJ，E1到E5能量依次增大

（1）△H1+△H2=___________kJ/mol (用有關(guān)E的代數(shù)式表示)；

（2）在不同溫度下，向密閉容器中充入等量醋酸蒸汽，反應(yīng)相同時(shí)間后，測(cè)得各氣體的產(chǎn)率與溫度的關(guān)系如圖所示：

①約650℃之前，氫氣產(chǎn)率低于甲烷的原因是；________________________________；

②約650℃之后，隨著溫度升高后，氫氣產(chǎn)率高于甲烷的原因是：___________；（填編號(hào)）

a. 反應(yīng)II速率減慢

b. 反應(yīng)I速率加快的程度比反應(yīng)II大

c. 反應(yīng)I正向移動(dòng)，而反應(yīng)II逆向移動(dòng)

d. 反應(yīng)I正向移動(dòng)的程度大于反應(yīng)II正向移動(dòng)的程度

③根據(jù)圖像分析，該容器中一定發(fā)生了另外的副反應(yīng)，理由是：______________。

（3）投入一定量的乙酸，在相同壓強(qiáng)下，經(jīng)過(guò)相同反應(yīng)時(shí)間測(cè)得如下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：

溫度（℃）	催化劑	CH3COOH轉(zhuǎn)化率	H2的選擇性
550	甲	14.5	40.2
550	乙	11.1	62.1
600	甲	11.2	41.2
600	乙	10.3	63.3

（H2的選擇性：轉(zhuǎn)化的CH3COOH中生成H2的百分比）

①表中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在相同溫度下不同的催化劑對(duì)CH3COOH轉(zhuǎn)化成H2的選擇性有顯著的影響，其原因是________。

②有利于提高CH3COOH轉(zhuǎn)化為H2平衡轉(zhuǎn)化率的措施有________。

A．使用催化劑甲 B．使用催化劑乙

C．升高反應(yīng)溫度 D．增加反應(yīng)物的濃度

（4）利用合適的催化劑使另外的副反應(yīng)不發(fā)生。溫度為TK，達(dá)到平衡時(shí)，總壓強(qiáng)為PkPa，反應(yīng)I消耗乙酸40%，反應(yīng)II消耗乙酸20%，乙酸體積分?jǐn)?shù)為__________(計(jì)算結(jié)果保留l位小數(shù)，下同)；反應(yīng)I的平衡常數(shù)Kp為_________kPa(Kp為以分壓表示的平衡常數(shù)，某物質(zhì)分壓=總壓×該物質(zhì)的體積分?jǐn)?shù))。

Answer 1

【答案】E1+E3-2E2 反應(yīng)I的活化能高于反應(yīng)II，使生成H2的速率低于生成CH4的速率 bc 根據(jù)反應(yīng)I看出，生成CO與H2的比例為1：1，但圖像中這兩種氣體的產(chǎn)率顯然非1：1。 此時(shí)反應(yīng)未達(dá)到平衡，不同的催化劑對(duì)反應(yīng)Ⅰ的催化能力不同，因而在該時(shí)刻下對(duì)甲醇選擇性有影響。 C 16.7%

【解析】

(1)已知：反應(yīng)I的活化能為(E5-E2)kJ，反應(yīng)I逆反應(yīng)的活化能為(E5-E3)kJ，反應(yīng)II的活化能為(E4-E2)kJ，反應(yīng)II逆反應(yīng)的活化能為(E4-E1)kJ，E1到E5能量依次增大，根據(jù)上述關(guān)系，畫(huà)出圖像分析，根據(jù)△H=生成物總能量-反應(yīng)物總能量計(jì)算；

(2)①約650℃之前，脫酸基反應(yīng)活化能低速率快，故氫氣產(chǎn)率低于甲烷；

②熱裂解反應(yīng)CH3COOH(g)→2CO(g)+2H2(g)正向是吸熱反應(yīng)，升高溫度有利于反應(yīng)正向進(jìn)行，并且平衡進(jìn)行的程度增大，而脫酸基反應(yīng)CH3COOH(g)CH4(g)+CO2(g)正向是放熱反應(yīng)，升高溫度，反應(yīng)會(huì)逆向進(jìn)行，并且平衡進(jìn)行的程度減小，據(jù)此解答；

③圖象分析可知，反應(yīng)Ⅰ生成CO與H2的比例為1：1，結(jié)合圖象中氣體物質(zhì)的量之比分析判斷；

(3)①不同的催化劑的催化能力不同，且催化劑具有選擇性；

②CH3COOH(g)2CO(g)+2H2(g)正向是吸熱反應(yīng)，提高CH3COOH轉(zhuǎn)化為H2平衡轉(zhuǎn)化率，應(yīng)使平衡正向移動(dòng)，可升高溫度，減小生成物的濃度；

(4)設(shè)起始時(shí)n(CH3COOH)=1mol，熱裂解反應(yīng)消耗乙酸40%，根據(jù)熱裂解反應(yīng)CH3COOH(g)2CO(g)+2H2(g)有n(CO)=n(H2)=0.4mol×2=0.8mol，脫酸基反應(yīng)消耗乙酸20%，根據(jù)脫酸基反應(yīng)CH3COOH(g)CH4(g)+CO2(g)有n(CH4)=n(CO2)=0.2mol，平衡時(shí)剩余n(CH3COOH)=1mol0.4mol0.2mol=0.4mol，根據(jù)體積分?jǐn)?shù)公式和壓強(qiáng)平衡常數(shù)表達(dá)式分別計(jì)算。

(1)已知：反應(yīng)I的活化能為(E5-E2)kJ，反應(yīng)I逆反應(yīng)的活化能為(E5-E3)kJ，反應(yīng)II的活化能為(E4-E2)kJ，反應(yīng)II逆反應(yīng)的活化能為(E4-E1)kJ，E1到E5能量依次增大，根據(jù)上述關(guān)系，畫(huà)出圖像分析，根據(jù)△H=生成物總能量-反應(yīng)物總能量可得，△H1=E3-E2，△H2=E1-E2，則△H1+△H2= E3-E2+E1-E2= E3+E1-2E2；

(2)①約650℃之前，脫酸基反應(yīng)活化能低速率快，反應(yīng)I的活化能高于反應(yīng)II，使生成H2的速率低于生成CH4的速率，故氫氣產(chǎn)率低于甲烷；

②根據(jù)(1)畫(huà)出的圖像分析熱裂解反應(yīng)CH3COOH(g)2CO(g)+2H2(g)正向是吸熱反應(yīng)，升高溫度有利于反應(yīng)正向進(jìn)行，并且平衡進(jìn)行的程度增大，使H2的生成量增多，而脫酸基反應(yīng)CH3COOH(g)CH4(g)+CO2(g)正向是放熱反應(yīng)，升高溫度，反應(yīng)會(huì)逆向進(jìn)行，使CH4的生成量減少，所以隨著溫度升高后，熱裂解反應(yīng)速率加快，同時(shí)氫氣產(chǎn)率高于甲烷，故選bc；

③反應(yīng)Ⅰ(熱裂解):CH3COOH(g)2CO(g)+2H2(g)根據(jù)反應(yīng)I看出，生成CO與H2的比例為1:1，但圖像中這兩種氣體的產(chǎn)率顯然非1:1，說(shuō)明該容器中一定發(fā)生了另外的副反應(yīng)；

(3)①由圖上的數(shù)據(jù)可以知道在一定時(shí)間內(nèi)，反應(yīng)未達(dá)到平衡，不同的催化劑對(duì)反應(yīng)Ⅰ的催化能力不同，因而在該時(shí)刻下對(duì)甲醇選擇性有影響；

②A．催化劑無(wú)法改變平衡轉(zhuǎn)化率，故A錯(cuò)誤；

B．催化劑無(wú)法改變平衡轉(zhuǎn)化率，故B錯(cuò)誤；

C．反應(yīng)I為吸熱反應(yīng)，所以升高溫度，平衡正向進(jìn)行，轉(zhuǎn)化率增大，故C正確；

D．增大反應(yīng)物的濃度，能使平衡正向進(jìn)行，但不能增大CH3COOH的轉(zhuǎn)化率，故D錯(cuò)誤；

答案選C。

(4)設(shè)起始時(shí)n(CH3COOH)=1mol，熱裂解反應(yīng)消耗乙酸40%，根據(jù)熱裂解反應(yīng)CH3COOH(g)2CO(g)+2H2(g)有n(CO)=n(H2)=0.4mol×2=0.8mol，脫酸基反應(yīng)消耗乙酸20%，根據(jù)脫酸基反應(yīng)CH3COOH(g)CH4(g)+CO2(g)有n(CH4)=n(CO2)=0.2mol，剩余n(CH3COOH)=1mol0.4mol0.2mol=0.4mol，所以平衡時(shí)乙酸體積分?jǐn)?shù)=×100%=16.7%；平衡時(shí)p(CO)=p(H2)=×p=，p(CH3COOH)=×p=，熱裂解反應(yīng)的平衡常數(shù)Kp=。