Question

【題目】中科院大連化學(xué)物理研究所的一項(xiàng)最新成果實(shí)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(yīng)生成乙烯(該反應(yīng)過(guò)程可逆)

(1)已知相關(guān)物質(zhì)的燃燒熱如表所示，寫(xiě)出甲烷制備乙烯的熱化學(xué)方程式__________。

(2)現(xiàn)代石油化工采用Ag作催化劑，可實(shí)現(xiàn)乙烯與氧氣制備X(分子式為C2H4O，不含雙鍵)該反應(yīng)符合最理想的原子經(jīng)濟(jì)，則反應(yīng)產(chǎn)物是__________(填結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式)

(3)在400℃時(shí)，向初始體積為1L的恒壓密閉反應(yīng)器中充入1molCH4，發(fā)生(1)中反應(yīng)，測(cè)得平衡混合氣體中C2H4的體積分?jǐn)?shù)為25.0%。則：

①在該溫度下，其平衡常數(shù)KC＝__________。

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

③若反應(yīng)器的體積固定，不同壓強(qiáng)下可得變化如圖所示，則壓強(qiáng)p1與p2的大小關(guān)系是__________。

(4)實(shí)際制備C2H4時(shí)，通常存在副反應(yīng)2CH4(g)C2H6(g)＋H2(g)。反應(yīng)器和CH4起始量不變，不同溫度下C2H6和C2H4的體積分?jǐn)?shù)與溫度的關(guān)系曲線如圖所示。在溫度高于600℃時(shí)，有可能得到一種較多的雙碳有機(jī)副產(chǎn)物的名稱是__________。

(5)C2H4、C2H6常常作為燃料電池的原料，請(qǐng)寫(xiě)出C2H4在NaOH溶液中做燃料電池的負(fù)極的電極反應(yīng)方程式__________。

Answer 1

【答案】2CH4(g)C2H4(g)+2H2(g)ΔH=+202.0kJ/mol 1.0 增大 該反應(yīng)為氣體體積增大的吸熱反應(yīng)，通入高溫水蒸汽相當(dāng)于加熱，同時(shí)通入水蒸氣，反應(yīng)器的體積增大，相當(dāng)于減小壓強(qiáng)，均使平衡右移，C2H4的產(chǎn)率增大 p1>p2 乙炔 16OH—+C2H4—12e—=2+10H2O

【解析】

(1)根據(jù)表格中數(shù)據(jù)書(shū)寫(xiě)H2、CH4、C2H4燃燒熱的熱化學(xué)方程式，由蓋斯定律計(jì)算；

(2)X的分子式C2H4O，不含雙鍵，判斷出X的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式；

(3)①根據(jù)三段式結(jié)合平衡混合氣體中C2H4的體積分?jǐn)?shù)為25.0%計(jì)算；

②通入高溫水蒸氣，相當(dāng)于加熱和減小壓強(qiáng)，根據(jù)(2)中的反應(yīng)并結(jié)合平衡的影響因素分析解答；

③若容器體積固定，根據(jù)反應(yīng)的特征結(jié)合壓強(qiáng)對(duì)平衡的影響分析判斷；

(4)由圖可知，溫度高于600℃時(shí)，有較多的自由基生成；

(5)燃料電池中，通入燃料的一極為負(fù)極，通入氧氣的一極為正極，據(jù)此分析書(shū)寫(xiě)電極反應(yīng)。

(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(xué)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(yīng)符合最理想的原子經(jīng)濟(jì)可知，X的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式為；

(3)①400℃時(shí)，向1L的恒容反應(yīng)器中充入1molCH4，發(fā)生上述反應(yīng)，測(cè)得平衡混合氣體中C2H4的體積分?jǐn)?shù)為25.0%，設(shè)轉(zhuǎn)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(zhì)的量之比，所以有=25%，解得x=mol，平衡時(shí)氣體的總物質(zhì)的量為(++)mol=mol，容器恒壓，則氣體的物質(zhì)的量之比等于體積之比，原體積為1L，則此時(shí)體積應(yīng)為L，所以化學(xué)平衡常數(shù)KC= ==1.0；

②甲烷制備乙烯的反應(yīng)為氣體體積增大的吸熱反應(yīng)，通入高溫水蒸氣，相當(dāng)于加熱，平衡右移，產(chǎn)率增大；同時(shí)通入水蒸氣，容器的體積增大，相當(dāng)于減小壓強(qiáng)，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(yīng)為氣體體積增大的反應(yīng)，溫度相同時(shí)，增大壓強(qiáng)平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，CH4的平衡轉(zhuǎn)化率降低，因此p1＞p2；

(4)據(jù)圖可知溫度高于600℃時(shí)，應(yīng)有較多的自由基生成，自由基結(jié)合生成，則雙碳有機(jī)副產(chǎn)物為乙炔；

(5)燃料電池通入燃料的一極為負(fù)極，負(fù)極化合價(jià)升高，C2H4在NaOH溶液中轉(zhuǎn)化為CO32-，電極反應(yīng)式為：C2H4-12e-+16OH-=2CO32-+10H2O。