Question

【題目】中科院大連化學物理研究所的一項最新成果實現了甲烷高效生產乙烯，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，在氣相中經自由基:CH2偶聯反應生成乙烯(該反應過程可逆)

(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)現代石油化工采用Ag作催化劑，可實現乙烯與氧氣制備X(分子式為C2H4O，不含雙鍵)該反應符合最理想的原子經濟，則反應產物是____________(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 molCH4，發生(1)中反應，測得平衡混合氣體中C2H4的體積分數為20.0％。則:

①在該溫度下，其平衡常數K＝________。

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的產率將_______(填“増大”“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下圖所示，則壓強的關系是____________。

④實際制備C2H4時，通常存在副反應2CH4(g)C2H6(g)+H2(g)。反應器和CH4起始量不変，不同溫度下C2H6和C2H4的體積分數與溫度的關系曲線如下圖所示。

I.在溫度高于600℃時，有可能得到一種較多的雙碳有機副產物的名稱是____________。

II.若在400℃時，C2H4、C2H6的體積分數分別為20.0％、6.0％，其余為CH4和H2，則體系中CH4的體積分數是____________。

Answer 1

【答案】2CH4（g）C2H4（g）+2H2（g）△H=+202.0kJ/mol 0.20mol/L 增大 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，同時通入水蒸氣，容器的體積增大，相當于減小壓強，平衡均右移，產率增大 p1＞p2 乙炔 28%

【解析】

（1）根據表格中數據書寫H2、CH4、C2H4燃燒熱的熱化學方程式，由蓋斯定律計算；

（2）X的分子式C2H4O，不含雙鍵，判斷出X的結構簡式；

(3)①根據三段式結合平衡混合氣體中C2H4的體積分數為20.0%計算；

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

③若容器體積固定，根據反應的特征結合壓強對平衡的影響分析判斷；

④由圖可知，溫度高于600℃時，有較多的自由基生成；

（4）設最終氣體的總物質的量為x，計算出平衡時C2H4、C2H6和氫氣的物質的量，再計算甲烷的體積分數。

（1）根據表格中數據有：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，故答案為：2CH4(g) C2H4(g)+2H2(g)△H=+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濟可知，X的結構簡式為，故答案為：；

(3)①400℃時，向1L的恒容反應器中充入1mol CH4，發生上述反應，測得平衡混合氣體中C2H4的體積分數為20.0%，由此建立如下三段式：

2CH4(g) C2H4(g)+2H2(g)

起始(mol) 1 0 0

轉化(mol) 2x x 2x

平衡(mol) 1-2x x 2x

由平衡混合氣體中C2H4的體積分數為20.0％得＝20.0%，解得x=0.25，平衡后氣體的體積=×1L=1.25L，所以化學平衡常數為K===

0.20mol/L，故答案為：0.20mol/L；

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(不參加反應，高于400℃)相當于加熱，平衡右移，產率增大；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，產率也增大，因此C2H4的產率將增大，故答案為：增大；該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，同時通入水蒸氣，容器的體積增大，相當于減小壓強，平衡均右移，產率增大；

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，故答案為：p1＞p2；

④由圖可知，溫度高于600℃時，有較多的自由基生成，自由基結合生成，則雙碳有機副產物為乙炔，故答案為：乙炔；

（4）設最終氣體的總物質的量為x，則C2H4為0.2x、C2H6為0.06x，根據2CH4(g) C2H4(g)+2H2(g)和2CH4(g) C2H6(g)＋H2(g)可知，生成的氫氣為0.4x+0.06x=0.46x，則含有的甲烷為x-(0.2x+0.06x+0.46x)=0.28x，因此體系中CH4的體積分數=×100%=28%，故答案為：28%。