《2024年新编高中同步作业高中化学选修1人教版》

4. 二氧化碳催化加氢合成乙烯是综合利用CO₂的热点研究领域。回答下列问题：
（1）CO₂催化加氢生成乙烯和水的反应中，产物的物质的量之比n(C₂H₄)∶n(H₂O)=__________。当反应达到平衡时，若增大压强，则n(C₂H₄)__________（填“变大”“变小”或“不变”）。
（2）理论计算表明，原料初始组成n(CO₂)∶n(H₂)=1∶3，在体系压强为0.1 MPa，反应达到平衡时，四种组分的物质的量分数x随温度T的变化如图所示：

图中，表示C₂H₄、CO₂变化的曲线分别是__________、__________。CO₂催化加氢合成C₂H₄反应的ΔH__________（填“大于”或“小于”）0。
（3）根据图中点A(440 K，0.39)，计算该温度时反应的平衡常数Kp=________________（列出计算式，以分压表示，分压 = 总压×物质的量分数）。
（4）二氧化碳催化加氢合成乙烯反应往往伴随副反应，生成C₃H₆、C₃H₈、C₄H₈等低碳烃。一定温度和压强条件下，为了提高反应速率和乙烯选择性，应当______________________________。

答案： 解析：
(1)CO₂催化加氢生成乙烯和水的化学方程式为2CO₂(g) + 6H₂(g)$\stackrel{催化剂}{\rightleftharpoons}$C₂H₄(g) + 4H₂O(g)，产物的物质的量之比n(C₂H₄)：n(H₂O)=1：4，该反应是气体体积减小的反应，增大压强平衡右移，则n(C₂H₄)变大。
(2)由平衡图像知，390 K时四种组分的物质的量分数之比满足1：3的是c曲线和a曲线，物质的量分数之比满足1：4的是d曲线和b曲线，结合反应方程式和原始投料n(CO₂)：n(H₂)=1：3可得，曲线c表示CO₂，曲线a表示H₂，曲线d表示C₂H₄，曲线b表示H₂O；由图像的变化趋势可知，升高温度，曲线a、c增大，曲线b、d减小，说明平衡左移，所以正反应放热，ΔH＜0。
(3)起始投料比n(CO₂)：n(H₂)=1：3，平衡时总压为0.1 MPa，结合反应方程式可知p(CO₂)：p(H₂)=1：3，p(C₂H₄)：p(H₂O)=1：4，由图像可知p(H₂)=p(H₂O)=0.1×0.39 MPa，所以p(CO₂)=$\frac{0.1}{3}$×0.39 MPa，p(C₂H₄)=$\frac{0.1}{4}$×0.39 MPa。
2CO₂(g) + 6H₂(g)$\rightleftharpoons$C₂H₄(g) + 4H₂O(g)
平衡时压强/MPa $\frac{0.1}{3}$×0.39 0.1×0.39 $\frac{0.1}{4}$×0.39 0.1×0.39
$K_{p}=\frac{(0.1×0.39)^{4}×\frac{0.1}{4}×0.39}{(\frac{0.1}{3}×0.39)^{2}×(0.1×0.39)^{6}}$
答案：
(1)1：4 变大
(2)d c 小于
(3)$K_{p}=\frac{(0.1×0.39)^{4}×\frac{0.1}{4}×0.39}{(\frac{0.1}{3}×0.39)^{2}×(0.1×0.39)^{6}}$
(4)选择合适催化剂等

5. 丙烷无氧脱氢法制备丙烯反应如下：
C₃H₈(g)⇌C₃H₆(g)+H₂(g) ΔH = +124 kJ·mol⁻¹
（1）总压分别为100 kPa、10 kPa时发生该反应，平衡体系中C₃H₈和C₃H₆的物质的量分数随温度变化关系如图所示：

100 kPa时，C₃H₈和C₃H₆的物质的量分数随温度变化关系的曲线分别是__________、__________。
（2）某温度下，在刚性容器中充入C₃H₈，起始压强为10 kPa，平衡时总压为13.3 kPa，C₃H₈的平衡转化率为__________。该反应的平衡常数Kp=__________（保留1位小数）。

答案： 解析：
(1)C₃H₈(g)$\rightleftharpoons$C₃H₆(g) + H₂(g) ΔH= +124 kJ·mol⁻¹，正反应吸热，升高温度，平衡正向移动，C₃H₈(g)的物质的量分数减小，C₃H₆(g)的物质的量分数增大；根据化学方程式，该反应为气体体积增大的反应，增大压强，平衡逆向移动，100 kPa时C₃H₈的物质的量分数大于10 kPa时C₃H₈的物质的量分数，因此表示100 kPa时C₃H₈的物质的量分数随温度变化关系的曲线是a；增大压强，平衡逆向移动，C₃H₆的物质的量分数减小，因此表示100 kPa时C₃H₆的物质的量分数随温度变化关系的曲线是d。
(2)同温同体积条件下，气体的压强之比等于气体物质的量之比，设C₃H₈的平衡转化率为x，
C₃H₈(g)$\rightleftharpoons$C₃H₆(g) + H₂(g)
起始/kPa 10 0 0
反应/kPa 10x 10x 10x
平衡/kPa 10(1 - x) 10x 10x
则10(1 - x)+10x + 10x = 13.3，
解得：x = 0.33，$K_{p}=\frac{3.3×3.3}{10 - 3.3}\approx1.6$。
答案：
(1)a d
(2)33% 1.6