Question

【題目】中科院大連化學物理研究所的一項最新成果實現(xiàn)了甲烷高效生產(chǎn)乙烯，如圖所示，甲烷在催化作用下脫氫，在不同溫度下分別形成等自由基，在氣相中經(jīng)自由基：CH2偶聯(lián)反應生成乙烯(該反應過程可逆)

物質	燃燒熱/(kJmol-1)
氫氣	285.8
甲烷	890.3
乙烯	1411.0

(1)已知相關物質的燃燒熱如上表所示，寫出甲烷制備乙烯的熱化學方程式______________。

(2)現(xiàn)代石油化工采用Ag作催化劑，可實現(xiàn)乙烯與氧氣制備X(分子式為C2H4O，不含雙鍵)該反應符合最理想的原子經(jīng)濟，則反應產(chǎn)物是____________(填結構簡式)

(3)在400℃時，向初始體積為1L的恒壓密閉反應，器中充入1 mol CH4，發(fā)生(1)中反應，測得平衡混合氣體中C2H4的體積分數(shù)為25.0%。則：

①在該溫度下，其平衡常數(shù)KC＝____________。

②若向該反應器中通入高溫水蒸氣(不參加反應，高于400℃)，則C2H4的產(chǎn)率____________。(填“增大”“減小”“不變”或“無法確定”)，理由是_______________________________。

③若反應器的體積固定，不同壓強下可得變化如右圖所示，則壓強P1，P2的大小關系是____________。

(4)實際制備C2H4時，通常存在副反應2CH4(g)C2H4(g)＋2H2(g)。反應器和CH4起始量不變，不同溫度下C2H6和C2H4的體積分數(shù)與溫度的關系曲線如右圖所示。在溫度高于600℃時，有可能得到一種較多的雙碳有機副產(chǎn)物的名稱是____________。

(5)C2H4、C2H6常常作為燃料電池的原料，請寫出C2H4在NaOH溶液中做燃料電池的負極的電極反應方程式________________________________________________。

Answer 1

【答案】2CH4(g)C2H4(g)+2H2(g) ΔH=+202.0kJ/mol) 1.0 增大 該反應為氣體體積增大的吸熱反應，通入高溫水蒸汽相當于加熱，同時通入水蒸氣，反應器的體積增大，相當于減小壓強，均使平衡右移，C2H4的產(chǎn)率增大 P1>P2 乙炔 16OH-+C2H4-12e-=2CO32-+10H2O

【解析】

(1)根據(jù)表格中數(shù)據(jù)有：①H2(g)+O2(g)═H2O(l)△H1=-285.8kJ/mol；

②CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(l)△H2=-890.3kJ/mol；

③C2H4(g)+3O2(g)=2CO2(g)+2H2O(l)△H3=-1411.0kJ/mol；
甲烷制備乙烯的化學方程式為：2CH4(g)C2H4(g)+2H2(g)，根據(jù)蓋斯定律，將②×2-③-①×2得到，2CH4(g)C2H4(g)+2H2(g)△H=2△H2-△H3-2△H1=+202.0kJ/mol；
(2)由題意乙烯與氧氣催化制備X，X的分子式C2H4O，不含雙鍵，反應符合最理想的原子經(jīng)濟可知，X的結構簡式為；

(3)①400℃時，向1L的恒容反應器中充入1molCH4，發(fā)生上述反應，測得平衡混合氣體中C2H4的體積分數(shù)為25.0%，設轉化的甲烷為x，由此建立如下三段式：

相同條件下氣體的體積比等于物質的量之比，所以有=25%，解得x=mol，平衡時氣體的總物質的量為，容器恒壓，則氣體的物質的量之比等于體積之比，原體積為1L，則此時體積應為L，所以化學平衡常數(shù)為平衡常數(shù)K==1.0；

②甲烷制備乙烯的反應為氣體體積增大的吸熱反應，通入高溫水蒸氣，相當于加熱，平衡右移，產(chǎn)率增大；同時通入水蒸氣，容器的體積增大，相當于減小壓強，平衡右移，產(chǎn)率也增大，因此C2H4的產(chǎn)率將增大；

③若容器體積固定，甲烷制備乙烯的反應為氣體體積增大的反應，溫度相同時，增大壓強平衡向逆反應方向移動，CH4的平衡轉化率降低，因此P1>P2；

(4) 甲烷在不同溫度下分別形成等自由基，據(jù)圖可知溫度高于600℃時，應有較多的自由基生成，自由基結合生成，則雙碳有機副產(chǎn)物為乙炔；

(5)燃料電池的負極化合價升高，C2H4在NaOH溶液中轉化為CO32-，電極反應式為：C2H4-12e-+16OH-=2CO32-+10H2O。