Question

(一)乙炔是一种重要的化工原料，最新研制出的由裂解气(H₂、CH₄、C₂H₄)与煤粉在催化剂条件下制乙炔，该生产过程是目前清洁高效的煤化工过程。已知：发生的部分反应如下（在25℃、 101 kPa时），CH₄、C₂H₄ 在高温条件还会分解生成炭与氢气：

①C (s) +2H₂(g)CH₄(g) △H₁=－74.85kJ•mol^-1

②2CH₄(g)C₂H₄(g) +2H₂(g) △H₂=340.93kJ•mol^-1

③C₂H₄(g)C₂H₂(g) +H₂(g) △H₃=35.50kJ•mol^-1

请回答：

（1）依据上述反应， 请写出 C 与 H₂化合生成 C₂H₂ 的热化学方程式：______________。

（2）若以乙烯和氢气的混合气体以一定流速通过填充有催化剂的反应器（氢气的作用是活化催化剂），出口气中含有乙烯、乙炔、氢气等。图1 为乙炔产率与进料气中 n（氢气）/n（乙烯）的关系。图中曲线呈现先升高后降低的变化趋势，其降低的原因是______________。

（3）图 2 为上述诸反应达到平衡时各气体体积分数和反应温度的关系曲线。

①乙炔体积分数在1530℃之前随温度升高而增大的原因可能是_______________；1530℃之后，乙炔体积分数增加不明显的主要原因可能是_______________。

②在体积为1L的密闭容器中反应，1530℃时测得气体的总物质的量为1.000 mol，则反应C₂H₄(g)C₂H₂(g) +H₂(g) 的平衡常数 K=_______________。

③请在图3中绘制乙烯的体积分数和反应温度的关系曲线__________。

(二)当今，人们正在研究有机锂电解质体系的锂-空气电池，它是一种环境友好的蓄电池。放电时电池的总反应为:4Li+O₂=2Li₂O。在充电时，阳极区发生的过程比较复杂，目前普遍认可的是按两步进行，请补充完整。电极反应式： ________________________和 Li₂O₂－2e^-＝2Li^＋＋O₂。

Answer

2C(s) +H2(g)C2H2(g) △H1=226.73kJ•mol—1 一开始充入氢气是为活化催化剂，故稍增大氢气的量能让乙炔产率增大，原料中过量 H2 会使反应③平衡逆向移动，所以乙炔产率下降； 1530℃前升高温度，反应②③平衡正向移动，乙炔更多 高温则有更多的甲烷与乙烯裂解生成碳导致乙炔体积分数增加不大 9(1.000-0.0840-0.8240-0.8240=0.008，按照加减法有效数字原则)或8.652 注意：起点温度要低于乙炔的起点； 最高点的相应温度低于 1530℃，1530k交点乙烯的体积分数不要超过为0.01 2Li2O-2 e-=2Li＋＋Li2O2

【解析】

(一)（1）依据盖斯定律可以写出 C 与 H2化合生成 C2H2 的热化学方程式。

（2）从氢气的作用是活化催化剂、氢气增多平衡逆移的角度分析曲线变化的原因。

（3）①从三个反应的热效应和题给信息（CH4、C2H4 在高温条件还会分解生成炭与氢气）分析曲线变化的原因。

②根据图中给出的数据计算乙烯的物质的量浓度，然后计算平衡常数。

③根据温度对平衡的影响以及C2H4 在高温条件会分解生成炭与氢气，制乙烯的体积分数和反应温度关系曲线。

(二)根据总反应4Li+O2=2Li2O确定在充电时，阳极是Li2O失去电子，结合给出的第二步反应，可以写出第一步反应。

(一)（1）根据盖斯定律：①×2+②+③整理得2C(s) +H2(g)C2H2(g) △H1=226.73kJ•mol—1；正确答案：2C(s) +H2(g)C2H2(g) △H1=226.73kJ•mol—1。

（2）根据题给信息，结合图像分析可知：刚开始充入氢气是为活化催化剂，故稍增大氢气的量能让乙炔产率增大，原料中过量 H2 会使反应③平衡逆向移动，所以乙炔产率下降；正确答案：一开始充入氢气是为活化催化剂，故稍增大氢气的量能让乙炔产率增大，原料中过量 H2 会使反应③平衡逆向移动，所以乙炔产率下降。

（3）①上述三个反应中，只有②③两个反应为吸热反应，升高温度，平衡右移，有利于乙炔的生成；但是温度太高，针对于①反应来说，平衡左移，有更多的甲烷分解为碳，甲烷的量较少，导致②③两个反应均向左移动，乙炔气体的体积分数增加不大；正确答案：1530℃前升高温度，反应②③平衡正向移动，乙炔更多；高温则有更多的甲烷与乙烯裂解生成碳导致乙炔体积分数增加不大。

②体积为1L的密闭容器，1530℃时测得气体的总物质的量为1.000 mol，根据图像2可知，c(H2)=0.824mol/L， c(C2H2)=0.0840 mol/L， c(CH4)= 0.0840 mol/L， c(C2H4)=1-0.824-0.0840-0.0840=0.008 mol/L；C2H4(g)C2H2(g) +H2(g) 的平衡常数 K= c(C2H2)×c(H2)/ c(C2H4)= (0.0840×0.824)/ 0.008=8.652；正确答案：8.652。

③根据题给信息可知，开始加入的是乙烯和氢气，随着温度的升高，第①个反应平衡逆向移动，甲烷减少，第②个反应向右移动，使乙烯增多，第③个反应也向右移动，使乙烯减少，但温度对第②个反应的影响大于对第③个反应的影响，所以乙烯先增多，温度很高时，由于乙烯会分解产生碳和氢气，所以乙烯的体积分数减少，据此可以画出乙烯的体积分数和反应温度的关系曲线：

说明：起点温度要低于乙炔的起点； 最高点的相应温度低于 1530℃,1530k交点乙烯的体积分数不要超过为0.01。

(二) 充电时，阳极区发生氧化反应，总反应为2Li2O-4 e-= O2+4 Li＋；阳极区发生反应按两步进行，用总反应减去Li2O2－2e-＝2Li＋＋O2就可得到第一个反应为2Li2O-2 e-=2Li＋＋Li2O2；正确答案：2Li2O-2 e-=2Li＋＋Li2O2。