Question

3．乙醇是重要的有機化工原料，可由乙烯氣相直接水合成法或間接水合成法生產，回答下列問題：
（1）間接水合成法是指將乙烯與濃硫酸反應生成硫酸氫乙酯C₂H₅OSO₃H），再水解成乙醇，寫出相應的化學方程式C₂H₄+H₂SO₄=C₂H₅OSO₃H、C₂H₅OSO₃H+H₂O→C₂H₅OH+H₂SO₄；（2）已知：
甲醇脫水反應2CH₃OH（g）=CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）?△H₁=-23.9kJ•mol-1
甲醇制烯烴反應2CH₃OH（g）=C₂H₄ （g）+H₂O（g）?△H₂=-29.1kJ•mol-1
乙醇異構化反應2CH₃OH（g）=CH₃OCH₃（g））?△H₃=+50.7kJ•mol-1
則乙烯氣相直接水合反應C₂H₄ （g）+H₂O（g）=C₂H₅OH（g）的△H=-45.5 kJ•mol-1．與間接水合法相比，氣相直接水合法的優點是無副產品，原子利用率100%．
（3）圖為氣相直接水合法中乙烯的平衡轉化率與溫度、壓強的關系（其中${n}_{{H}_{2}O}$：${n}_{{{C}_{2}H}_{4}}$=1：1）．
①圖中壓強（P₁，P₂，P₃，P₄）大小順序為p₁＜p₂＜p₃＜p₄，理由是反應分子數減少，相同溫度下，壓強升高乙烯轉化率提高；
②列式計算乙烯水合制乙醇反應在圖中A點的平衡常數K_p=0.07（MPa）^-1（用平衡分壓代替平衡濃度計算，分壓=總壓×物質的量分數）；
③氣相直接水合法常采用的工藝條件為：磷酸/硅藻土為催化劑，反應溫度290℃，壓強6.9MPa，nH2O：nC2H4=0.6：1，乙烯的轉化率為5%，若要進一步提高乙烯轉化率，除了可以適當改變反應溫度和壓強外，還可以采取的措施有將產物乙醇液化移去、增加nH₂O：nC₂H₄比．．

Answer 1

分析 （1）乙烯與濃硫酸反應生成硫酸氫乙酯（C₂H₅OSO₃H），效仿乙酸乙酯水解，將水分成氫原子和羥基生成乙醇和硫酸；
（2）利用蓋斯定律構造目標熱化學方程式并求焓變，氣相直接水合法原子利用率100%；
（3）①列出Kp表達式，利用三段法計算平衡分壓帶入表達式計算即可；
②在相同溫度下由于乙烯轉化率為p₁＜p₂＜p₃＜p₄，由C₂H₄（g）+H₂O（g）═C₂H₅OH（g）可知正反應為氣體體積減小的反應，根據壓強對平衡移動的影響分析；
③若要進一步提高乙烯轉化率，除了可以適當改變反應溫度和壓強外，還可以改變物質的濃度．

解答 解：（1）乙烯與濃硫酸反應生成硫酸氫乙酯（C₂H₅OSO₃H），化學方程式為C₂H₄+H₂SO₄=C₂H₅OSO₃H，硫酸氫乙酯水解生成乙醇和硫酸，化學方程式為：C₂H₅OSO₃H+H₂O→C₂H₅OH+H₂SO₄，
故答案為：C₂H₄+H₂SO₄=C₂H₅OSO₃H、C₂H₅OSO₃H+H₂O→C₂H₅OH+H₂SO₄；
（2）已知：甲醇脫水反應  ①2CH₃OH（g）═CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H₁=-23.9kJ•mol^-1
甲醇制烯烴反應 ②2CH₃OH（g）═C₂H₄（g）+2H₂O（g）△H₂=-29.1kJ•mol^-1
乙醇異構化反應 ③C₂H₅OH（g）═CH₃OCH₃（g）△H₃=+50.7kJ•mol^-1，
根據蓋斯定律①-②-③可得：C₂H₄（g）+H₂O（g）═C₂H₅OH（g）△H=（-23.9+29.1-50.7）kJ/mol=-45.5kJ/mol；
乙烯直接水化法中反應物中所有原子全部都變成生成物，所以原子利用率100%，沒有副產品，
故答案為：-45.5；無副產品，原子利用率100%；
（3）①在相同溫度下由于乙烯轉化率為p₁＜p₂＜p₃＜p₄，由C₂H₄（g）+H₂O（g）═C₂H₅OH（g）可知正反應為氣體體積減小的反應，所以增大壓強，平衡正向移動，乙烯的轉化率提高，因此壓強關系是p₁＜p₂＜p₃＜p₄，
故答案為：p₁＜p₂＜p₃＜p₄；反應分子數減少，相同溫度下，壓強升高乙烯轉化率提高；
②C₂H₄（g）+H₂O（g）═C₂H₅OH（g）
開始：1         1          0
轉化：0.2       0.2       0.2
平衡：0.8       0.8       0.2
乙醇占$\frac{0.2}{0.8+0.8+0.2}$=$\frac{1}{9}$，乙烯和水各占$\frac{0.8}{0.8+0.8+0.2}$=$\frac{4}{9}$，則乙醇的分壓為7.85MPa×$\frac{1}{9}$=0.87MPa，乙烯和水的分壓為7.85MPa×$\frac{4}{9}$=3.49MPa，
所以Kp=$\frac{p（C{\;}_{2}H{\;}_{5}OH）}{p（C{\;}_{2}H{\;}_{4}）•p（H{\;}_{2}O）}$=$\frac{0.87MPa}{3.49MPa×3.49MPa}$=0.07（MPa）^-1，
故答案為：0.07（MPa）^-1；
③若要進一步提高乙烯轉化率，除了可以適當改變反應溫度和壓強外，還可以改變物質的濃度，如從平衡體系中將產物乙醇分離出來，或增大水蒸氣的濃度，改變二者物質的量的比等，
故答案為：將產物乙醇液化移去；增加nH₂O：nC₂H₄比．

點評 本題考查了化學方程式的書寫、壓強對平衡移動的影響、物質制取方案的比較、反應熱及平衡常數的計算等知識，綜合性非常強，該題是高考中的常見題型，屬于中等難度較大，側重于學生分析問題、解決問題、知識遷移能力的培養．