Question

【題目】以天然氣代替石油生產液體燃料和基礎化學品是當前化學研究和發展的重點。

（1）我國科學家創造性地構建了硅化物晶格限域的單中心鐵催化劑，成功實現了甲烷一步高效生產乙烯、芳香烴Y和芳香烴Z等重要化工原料，實現了CO2的零排放，碳原子利用率達100%。已知Y、Z的相對分子質量分別為78、128，其一氯代物分別有1種和2種。

①有關化學鍵鍵能數據如表中所示：

化學鍵	H－H	C=C	C－C	C≡C	C－H
E（kJ/mol）	436	615	347.7	812	413.4

寫出甲烷一步生成乙烯的熱化學方程式_________________________，反應中硅化物晶格限域的單中心鐵催化劑的作用是________________________；

②已知：原子利用率=期望產物總質量/反應物總質量×100%，則甲烷生成芳香烴Y的原子利用率為___________；

③生成1 mol Z產生的H2約合標準狀況下________L。

（2）如圖為乙烯氣相直接水合法制備乙醇中乙烯的平衡轉化率與溫度、壓強的關系

（其中n(H2O):n(C2H4)=1:1）。

①若p2=8.0 MPa，列式計算A點的平衡常數Kp=____________（用平衡分壓代替平衡濃度計算；分壓=總壓×物質的量分數；結果保留到小數點后兩位）；

②該反應為__________（填“吸熱”或“放熱”）反應，圖中壓強（p1、p2、p3、p4）的大小關系為____________，理由是________________；

③氣相直接水合法常采用的工藝條件：磷酸/硅藻土為催化劑，反應溫度為290℃，壓強為6.9 MPa，n(H2O):n(C2H4)=0.6:1。乙烯的轉化率為5%，若要進一步提高乙烯的轉化率，除了可以適當改變反應溫度和壓強外，還可以采取的措施有______________（任寫兩條）。

（3）乙烯可以作為燃料電池的負極燃料，請寫出以熔融碳酸鹽作為電解質時，負極的電極反應式________________________________。

Answer 1

【答案】 2CH4(g)=C2H4(g)+2H2(g) ΔH=+166.6 kJ/mol 降低反應活化能，加快反應速率 81.25% 179.2 L MPa 放熱 p1<p2<p3<p4 該反應為反應后氣體體積減小的反應，溫度不變時，增大壓強乙烯的轉化率增大 將產物乙醇液化移去，或增大水與乙烯的比例 C2H4－12e－+6CO32－=8CO2+2H2O

【解析】甲烷一步生產乙烯、芳烴Y和Z，反應過程本身實現了CO2的零排放，即碳原子守恒，Y、Z的相對分子質量分別為78、128，且X、Y的核磁共振氫譜只有一個峰，Z的核磁共振氫譜有二個峰，則X為CH2=CH2，Y為苯，Z為對（CH3）3CCH2C（CH3），

①甲烷一步生成CH2=CH2，斷裂碳氫鍵，形成碳碳雙鍵，根據題中化學鍵的鍵能數據可知該反應的反應熱△H=（8×413.4-4×413.4-615-2×436.0）kJ/mol=+166.6kJ/mol，所以熱化學方程式為2CH4（g）C2H4（g）+2H2（g）△H=+166.6kJ/mol，硅化物晶格限域的單中心鐵催化劑的作用是降低反應的活化能，加快反應的速率；

②甲烷生成苯的反應方程式為6CH4→+9H2，所以原子利用率為×100%=81.25%；

③由甲烷生成1 mol（CH3）3CCH2C（CH3） ，根據原子守恒，參加反應的甲烷為9mol，同時生成氫氣的物質的量為=8mol，體積為8mol×22.4L/mol=179.2 L；

（2）① C2H4（g）+H2O（g）═C2H5OH（g）
開始：1 1 0
轉化：0.2 0.2 0.2
平衡：0.8 0.8 0.2

乙醇占=，乙烯和水各占=，則乙醇的分壓為8.0 MPa×，A點的平衡常數MPa；

②在恒壓條件下，溫度升高，乙烯的轉化率降低，則平衡逆向移動，該反應為放熱反應，在相同溫度下由于乙烯轉化率為p1＜p2＜p3＜p4，由C2H4（g）+H2O（g）═C2H5OH（g）可知正反應為氣體體積減小的反應，所以增大壓強，平衡正向移動，乙烯的轉化率提高，因此壓強關系是p1＜p2＜p3＜p4，

③若要進一步提高乙烯轉化率，除了可以適當改變反應溫度和壓強外，還可以改變物質的濃度，如從平衡體系中將產物乙醇分離出來，或增大水蒸氣的濃度，改變二者物質的量的比等；

（3）負極上乙烯失電子被氧化生成CO2，其電極反應式為C2H4－12e－+6CO32－=8CO2+2H2O。