Chemistry Labs

問題 1

不均一系触媒によるプロペンの製造。プロペンは石油化学産業で最も重要な化学品の一つであり、不均一系触媒上でのプロパンの直接脱水素 CX3HX8(g)⇌CX3HX6(g)+HX2(g)\ce{C3H8(g) <=> C3H6(g) + H2(g)} により合成できるが経済的に実現困難である。平均結合エンタルピーの関係式：Hbond(C=C)=1.77 Hbond(C−C)H_{\text{bond}}(\ce{C=C}) = 1.77\,H_{\text{bond}}(\ce{C-C})、Hbond(H−H)=1.05 Hbond(C−H)H_{\text{bond}}(\ce{H-H}) = 1.05\,H_{\text{bond}}(\ce{C-H})、Hbond(C−H)=1.19 Hbond(C−C)H_{\text{bond}}(\ce{C-H}) = 1.19\,H_{\text{bond}}(\ce{C-C}) を用いる。(a) プロパンの直接脱水素のエンタルピー変化を Hbond(C−C)H_{\text{bond}}(\ce{C-C}) の式で求めよ。(b) 定温で圧力を上げてもプロペン量を増やしにくい——この現象を最もよく説明する法則・原理はどれか。(c) 平衡系について、ΔH\Delta H、ΔS\Delta S の符号と、初めの温度より高い T∗T^* に上げたときの ΔG\Delta G の変化の向きを答えよ。
ステップ 1/3: 切断結合と生成結合の差
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ΔHrxn=[2H(C−C)+8H(C−H)]−[H(C=C)+H(C−C)+6H(C−H)+H(H−H)]=+0.360 Hbond(C−C)\Delta H_{\text{rxn}} = [2H(\ce{C-C}) + 8H(\ce{C-H})] - [H(\ce{C=C}) + H(\ce{C-C}) + 6H(\ce{C-H}) + H(\ce{H-H})] = +0.360\,H_{\text{bond}}(\ce{C-C})
分析

プロパンはC–C結合2本とC–H結合8本を持ち、プロペンはC=Cが1本、C–Cが1本、C–Hが6本、さらにH–Hが1本。よって ΔH=[2+8×1.19]−[1.77+1+6×1.19+1.05×1.19]=11.52−11.16=+0.36 H(C−C)\Delta H = [2 + 8\times1.19] - [1.77 + 1 + 6\times1.19 + 1.05\times1.19] = 11.52 - 11.16 = +0.36\,H(\ce{C-C})：吸熱反応。

よくある誤り. C–H結合の数え間違いに注意：プロパンは8本（CHX3−CHX2−CHX3\ce{CH3-CH2-CH3} で6+2 = 8）、プロペンは6本のみ——取れた2つの水素が HX2\ce{H2} を生成。