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)的燃燒熱如上表所示，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1 molCH4，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20.0％。則:

①在該溫度下，其平衡常數(shù)K＝________。

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)率將_______(填“増大”“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)下可得變化如下圖所示，則壓強(qiáng)的關(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起始量不変，不同溫度下C2H6和C2H4的體積分?jǐn)?shù)與溫度的關(guān)系曲線如下圖所示。

I.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____________。

II.若在400℃時(shí)，C2H4、C2H6的體積分?jǐn)?shù)分別為20.0％、6.0％，其余為CH4和H2，則體系中CH4的體積分?jǐn)?shù)是____________。

Answer 1

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

【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20.0%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；

（4）設(shè)最終氣體的總物質(zhì)的量為x，計(jì)算出平衡時(shí)C2H4、C2H6和氫氣的物質(zhì)的量，再計(jì)算甲烷的體積分?jǐn)?shù)。

（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，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(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，故答案為：；

(3)①400℃時(shí)，向1L的恒容反應(yīng)器中充入1mol CH4，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20.0%，由此建立如下三段式：

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

由平衡混合氣體中C2H4的體積分?jǐn)?shù)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(xué)平衡常數(shù)為K===

0.20mol/L，故答案為：0.20mol/L；

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(不參加反應(yīng)，高于400℃)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，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(dāng)于加熱，同時(shí)通入水蒸氣，容器的體積增大，相當(dāng)于減小壓強(qiáng)，平衡均右移，產(chǎn)率增大；

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，故答案為：p1＞p2；

④由圖可知，溫度高于600℃時(shí)，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，故答案為：乙炔；

（4）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?jǐn)?shù)=×100%=28%，故答案為：28%。