题目
工业上用乙苯脱氢制苯乙烯C6H5C2H5(g)===C6H5C2H3(g)+H2(g),如反应在900K下进行,其KΘ=1.51。试分别计算在下述情况下,乙苯的平衡转化率。(1)反应压力为100kPa;(2)反应压力为10kPa;(3)反应压力为100kPa,且加入水蒸气使原料气中水与乙苯蒸气的物质的量之比为10:1。
工业上用乙苯脱氢制苯乙烯C6H5C2H5(g)===C6H5C2H3(g)+H2(g),如反应在900K下进行,其KΘ=1.51。试分别计算在下述情况下,乙苯的平衡转化率。(1)反应压力为100kPa;(2)反应压力为10kPa;(3)反应压力为100kPa,且加入水蒸气使原料气中水与乙苯蒸气的物质的量之比为10:1。
题目解答
答案

解析
步骤 1:定义反应物和产物的初始状态
设乙苯的初始物质的量为1 mol,反应后乙苯的物质的量为1-α mol,苯乙烯和氢气的物质的量均为α mol。
步骤 2:计算反应平衡常数表达式
根据化学平衡常数的定义,平衡常数KΘ为产物浓度的乘积除以反应物浓度的乘积。对于本题,平衡常数KΘ为:
$$ K^{\theta} = \frac{[C_6H_5C_2H_3][H_2]}{[C_6H_5C_2H_5]} $$
步骤 3:计算反应压力为100kPa时的平衡转化率
根据理想气体状态方程,反应物和产物的分压与它们的物质的量成正比。因此,平衡常数KΘ可以表示为:
$$ K^{\theta} = \frac{\alpha^2}{1-\alpha} \times \frac{P}{(1+\alpha)P^{\theta}} $$
其中,P为反应压力,P^{\theta}为标准压力(100kPa)。将KΘ=1.51和P=100kPa代入上式,解得α=0.776,即乙苯的平衡转化率为77.6%。
步骤 4:计算反应压力为10kPa时的平衡转化率
将P=10kPa代入步骤3中的平衡常数表达式,解得α=0.968,即乙苯的平衡转化率为96.8%。
步骤 5:计算反应压力为100kPa且加入水蒸气时的平衡转化率
当加入水蒸气使原料气中水与乙苯蒸气的物质的量之比为10:1时,反应物和产物的总物质的量为11+α mol。因此,平衡常数KΘ可以表示为:
$$ K^{\theta} = \frac{\alpha^2}{1-\alpha} \times \frac{P}{(11+\alpha)P^{\theta}} $$
将KΘ=1.51和P=100kPa代入上式,解得α=0.949,即乙苯的平衡转化率为94.9%。
设乙苯的初始物质的量为1 mol,反应后乙苯的物质的量为1-α mol,苯乙烯和氢气的物质的量均为α mol。
步骤 2:计算反应平衡常数表达式
根据化学平衡常数的定义,平衡常数KΘ为产物浓度的乘积除以反应物浓度的乘积。对于本题,平衡常数KΘ为:
$$ K^{\theta} = \frac{[C_6H_5C_2H_3][H_2]}{[C_6H_5C_2H_5]} $$
步骤 3:计算反应压力为100kPa时的平衡转化率
根据理想气体状态方程,反应物和产物的分压与它们的物质的量成正比。因此,平衡常数KΘ可以表示为:
$$ K^{\theta} = \frac{\alpha^2}{1-\alpha} \times \frac{P}{(1+\alpha)P^{\theta}} $$
其中,P为反应压力,P^{\theta}为标准压力(100kPa)。将KΘ=1.51和P=100kPa代入上式,解得α=0.776,即乙苯的平衡转化率为77.6%。
步骤 4:计算反应压力为10kPa时的平衡转化率
将P=10kPa代入步骤3中的平衡常数表达式,解得α=0.968,即乙苯的平衡转化率为96.8%。
步骤 5:计算反应压力为100kPa且加入水蒸气时的平衡转化率
当加入水蒸气使原料气中水与乙苯蒸气的物质的量之比为10:1时,反应物和产物的总物质的量为11+α mol。因此,平衡常数KΘ可以表示为:
$$ K^{\theta} = \frac{\alpha^2}{1-\alpha} \times \frac{P}{(11+\alpha)P^{\theta}} $$
将KΘ=1.51和P=100kPa代入上式,解得α=0.949,即乙苯的平衡转化率为94.9%。