Question

【題目】乙烯是重要的基本化工原料，以乙烷為原料生產乙烯有多種方法。

I.乙烷裂解脫氫法。該方法的反應為：C2H6(g)=C2H4(g)+H2(g) △H=akJ/mol

(1)已知101kPa，298K時，C(s)和H2(g)生成lmoC2H6(g)、1molC2H4(g)的△H分別為－84.7 kJ/mol、+52.3kJ/mol。則a=___________。

II.乙烷氧化脫氫法，在原料氣中加入氧氣，乙烷氧化脫氫的反應如下：2C2H6(g)+O2(g)2C2H4(g)+2H2O(g) △H<0，副反應都為放熱反應，副產物有CH4(g)、CO(g)、CO2(g)。原料氣(70.1%空氣、29.9%C2H6)在反應器中停留15s，獲得相關數據如下表：

反應溫度/℃	乙烷轉化率/%	乙烯選擇性/%	產率/%
750	80.5	62.9	50.6
800	85.6	64.5	55.2
850	92.2	63.2	58.3
900	97.6	59.0	57.6

(2)①反應的平衡常數表達式為K=___________，K(750℃)___________K(900℃)(填“>”、“<”、“=”)

②當溫度超過800℃時，乙烯的選擇性降低，其主要原因可能是________________。

III.催化氧化脫氫法。以Mo-V-Nb-Sb的氧化物為催化劑，在常壓、380℃下，反應速率與氧氣分壓[P(O2)]、乙烷分壓[P(C2H6)的關系如下圖所示。

(3)已知該反應的速率方程為v=kPm(O2)·Pn(C2H6)，則m=___________，n=___________。

IV質子膜燃料電池法。

(4)乙烷氧化制乙烯會產生CO2的大量排放，近年研究人員開發了乙烷氧化制乙烯的質子膜燃料電池(SOFC)，該燃料電池的負極反應式為__________，這種電池工作過程中沒有CO2排放，原因是______________。

Answer 1

【答案】+137.0 > 副反應速率變大(或副反應增多) m=0 n=1 C2H6-2e-=C2H4+2H＋ 質子膜將氧氣和乙烷、乙烯隔開，使脫氫和氧化分開進行，所以沒有CO2產生

【解析】

(1)先分別寫出C與H2轉化為乙烷、乙烯的熱化學方程式，然后將兩個式子相減，即可得相應的熱化學方程式，確定a的值；

(2)①根據化學平衡常數的含義書寫其表達式；化學平衡常數只與溫度有關，利用平衡移動原理分析判斷；

②從有機化學反應發生時伴隨的副反應分析判斷；

(3)①分析圖象中v與p(O2)、p(C2H6)的關系進行判斷；

(4)乙烷氧化制乙烯的質子膜燃料電池(SOFC)，乙烷在負極失氫被氧化，發生氧化反應，據此寫出該燃料電池的負極反應式；燃料電池將氧化反應、還原反應分開為兩個半反應。

(1)根據題意可得熱化學方程式：①2C(s)+3H2(g)=C2H6(g) △H=-84.7kJ/mol

②2C(s)+2H2(g)=C2H4(g) △H=+52.3kJ/mol，②—①，整理，可得C2H6(g)=C2H4(g)+H2(g) △H=+137kJ/mol；

(2)①化學平衡常數是可逆反應達到平衡狀態時，各種生成物濃度冪之積與各種反應物濃度冪之積的比，所以反應2C2H6(g)+O2(g)2C2H4(g)+2H2O(g) △H<0的化學平衡常數表達式為：K=；化學平衡常數只與溫度有關，由于該反應的正反應為放熱反應，升高溫度，平衡逆向移動，化學平衡常數減小，所以K(750℃)>K(900℃)；

②在發生主反應時，還伴有副反應發生，產生的副產物有CH4(g)、CO(g)、CO2(g)。當溫度超過800℃時，乙烯的選擇性降低，主要原因可能是副反應增多，且溫度升高，副反應速率變大；

(3)根據反應速率與p(O2)關系可知：無論p(O2)如何變化，反應速率都不發生變化，說明pm(O2)=1，則m=0；再分析v與Pn(C2H6)的關系可知：二者呈正比，所以n=1；

(4)乙烷變為乙烯，失氫，發生氧化反應，所以該燃料電池的負極反應式為C2H6-2e-=C2H4+2H＋；質子膜將負極乙烷變乙烯的氧化反應與正極上O2獲得電子的反應分開進行，所以沒有CO2產生。