Question

【題目】中科院一項最新成果實現了甲烷高效生產乙烯，甲烷在催化作用下脫氫，在氣相中經自由基偶聯反應生成乙烯，如圖所示。

物質	燃燒熱（kJ/mol）
氫氣	285．8
甲烷	890．3
乙烯	1411．5

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

（2）在400℃時，向1L的恒容反應器中充入1molCH4，發生上述反應，測得平衡混合氣體中C2H4的體積分數為20.0 %。則在該溫度下，其平衡常數K=_______。按化學平衡移動原理，在圖(a)中畫出該反應的平衡轉化率與溫度及壓強(p1>p2)的關系曲線。_______________________

（3）在制備C2H4時，通常存在副反應：2CH4(g)C2H6(g)+H2(g)。在常溫下，向體積為1L的恒容反應器中充入1molCH4，然后不斷升高溫度，得到圖(b)。

①在200℃時，測出乙烷的量比乙烯多的主要原因是_________________________。

②在600℃后，乙烯的體積分數減少的主要原因是__________________________。

（4）工業上常采用除雜效率高的吸收-電解聯合法，除去天然氣中的雜質氣體H2S，并轉化為可回收利用的單質硫，其裝置如下圖所示。

通電前，先通入一段時間含H2S的甲烷氣，使部分NaOH吸收H2S轉化為Na2S，再接通電源，繼續通入含雜質的甲烷氣，并控制好通氣速率。裝置中右端碳棒為_________極，左端碳棒上的電極反應為_________________________，右池中的c(NaOH)：c(Na2S)______________(填“增大”、“基本不變”或“減小)。

Answer 1

【答案】 2CH4(g)C2H4(g)+2H2(g) ΔH＝＋202.5 kJ/mol 0.25 在200℃時，乙烷的生成速率比乙烯的快 在600℃后，乙烯開始分解為碳和氫氣 陽 2H2O＋2e－＝2OH－＋H2↑或2H+＋2e－＝H2↑ 基本不變

【解析】（1）根據燃燒熱數據表可得：①H2(g)+ O2(g)=H2O(l) ΔH1＝-285.8kJ/mol；②CH4(g) + 2O2(g)=CO2(g)+2H2O(l) ΔH2＝-890. 3kJ/mol； ③C2H4(g) + 3O2(g)=2CO2(g)+2H2O(l) ΔH3＝-1411.0kJ/mol；根據蓋斯定律，由②×2-③-①×2得反應2CH4(g)C2H4(g)+2H2(g) ΔH＝ΔH2×2-ΔH3-ΔH1×2=-890. 3kJ/mol×2-（-1411.0kJ/mol）-（-285.8kJ/mol）×2=＋202.2 kJ/mol；（2）在400℃時，向1L的恒容反應器中充入1molCH4，發生反應2CH4(g)C2H4(g)+2H2(g)，測得平衡混和氣體中C2H4的體積分數為20.0%。設甲烷的轉化率為x，則：

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

起始濃度（mol/L） 1 0 0

改變濃度（mol/L） x x/2 x

平衡濃度（mol/L） 1-x x/2 x

相同條件下，氣體的物質的量之比等于體積之比，則=20.0%，解得x=0.5mol/L，K==0.25；按化學平衡移動原理，該反應正反應為氣體體積增大的吸熱反應，升高溫度平衡正向移動，平衡轉化率增大，增大壓強，平衡逆向移動，平衡轉化率減小，對應圖中曲線為(p1>p2)：；（3）①根據圖中曲線可知，在200℃時，乙烷的生成速率比乙烯的快，測出乙烷的量比乙烯多；②在600℃后，乙烯開始分解為碳和氫氣，乙烯的體積分數減少；（4）裝置中右端硫離子失電子轉化為硫單質，硫元素被還原，則右端碳棒為陽極，左端碳棒為陰極產生氫氣，陰極的電極反應為：2H2O＋2e－＝2OH－＋H2↑；因接通電源，繼續通入含雜質的甲烷氣，并控制好通氣速率。故右池中的c(NaOH)：c(Na2S)基本不變。