Question

【題目】中科院大連化學(xué)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，甲烷在催化作用下脫氫，在氣相中經(jīng)自由基偶聯(lián)反應(yīng)生成乙烯，如圖所示。

（1）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C2H4O，不含雙鍵），該反應(yīng)符合最理想的原子經(jīng)濟，則反應(yīng)的化學(xué)方程式是______________（有機物請寫結(jié)構(gòu)簡式）。

（2）已知相關(guān)物質(zhì)的燃燒熱如上表，寫出甲烷制備乙烯的熱化學(xué)方程式_____________。

（3）在400 ℃時，向初始體積1 L的恒壓反應(yīng)器中充入1 molCH4，發(fā)生上述反應(yīng)，測得平衡混合氣體中C2H4的體積分數(shù)為20.0%。則：

①在該溫度下，其平衡常數(shù)K＝________。

②若向該容器通入高溫水蒸氣（不參加反應(yīng)，高于400℃），C2H4的產(chǎn)率將________（選填“增大”“減小”“不變”“無法確定”），理由是_____________。

③若容器體積固定，不同壓強下可得變化如下圖，則壓強的關(guān)系是__________。

④實際制備C2H4時，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的體積分數(shù)與溫度的關(guān)系曲線如圖。

A．在200 ℃時，測出乙烷的量比乙烯多的主要原因可能是_____________。

B．400℃時，C2H4、C2H6的體積分數(shù)分別為20.0%、6.0%，則體系中CH4的體積分數(shù)是_________。

Answer 1

【答案】2CH2 = CH2 + O22 2CH4（g）C2H4（g）+2H2（g）△H=+202.0kJ/mol 0.20mol/L 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(chǎn)率增大 p1＞p2 在200℃時，乙烷的生成速率比乙烯的快 28%

【解析】

(1)X的分子式C2H4O，不含雙鍵，判斷出X的結(jié)構(gòu)簡式，反應(yīng)符合最理想的原子經(jīng)濟，據(jù)此書寫反應(yīng)的化學(xué)方程式；

(2)根據(jù)表格中數(shù)據(jù)書寫H2、CH4、C2H4燃燒熱的熱化學(xué)方程式，然后根據(jù)蓋斯定律計算甲烷制備乙烯的反應(yīng)熱；

(3)①根據(jù)三段式結(jié)合平衡混合氣體中C2H4的體積分數(shù)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(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)合壓強對平衡的影響分析判斷；

④A.根據(jù)圖象結(jié)合反應(yīng)速率解答；B.設(shè)最終氣體的總物質(zhì)的量為x，計算出平衡時C2H4、C2H6和氫氣的物質(zhì)的量，再計算甲烷的體積分數(shù)。

(1)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C2H4O，不含雙鍵)，X為，該反應(yīng)符合最理想的原子經(jīng)濟，則反應(yīng)的化學(xué)方程式為2CH2 = CH2 + O22，故答案為：2CH2 = CH2 + O22；

(2)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=-1411.5kJ/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 =+202.5kJ/mol，故答案為：2CH4(g)→C2H4(g)+2H2(g)△H=+202.5 kJ/mol；

(3)①400℃時，向1L的恒容反應(yīng)器中充入1mol CH4，發(fā)生上述反應(yīng)，測得平衡混合氣體中C2H4的體積分數(shù)為20.0%，

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

起始(mol) 1 0 0

轉(zhuǎn)化(mol) 2x x 2x

平衡(mol) 1-2x x 2x

所以有＝20.0%，解得：x=0.25，平衡后氣體的體積=×1L=1.25L，所以化學(xué)平衡常數(shù)為K== =0.20mol/L，故答案為：0.20mol/L；

②2CH4(g)→C2H4(g)+2H2(g)△H=+202.5 kJ/mol，反應(yīng)為氣體體積增大的吸熱反應(yīng)，通入高溫水蒸氣(不參加反應(yīng)，高于400℃)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，故答案為：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(chǎn)率增大；

③若容器體積固定，2CH4(g)→C2H4(g)+2H2(g)，反應(yīng)為氣體分子數(shù)增多的反應(yīng)，溫度相同時，壓強增大不利于反應(yīng)正向進行，CH4的平衡轉(zhuǎn)化率降低，因此p1＞p2，故答案為：p1＞p2；

④A.根據(jù)圖象，200℃時，測出乙烷的量比乙烯多，是因為生成乙烷的反應(yīng)速率較快，故答案為：在200℃時，乙烷的生成速率比乙烯的快；

B.設(shè)最終氣體的總物質(zhì)的量為x，則C2H4為0.2x、C2H6為0.06x，根據(jù)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(shù)=×100%=28%，故答案為：28%。