Question

甲烷、乙烯、环氧乙烷、丁烷都是重要的化工原料，用途广泛。回答下列问题：

已知：I.2CH₂=CH₂(g)+O₂(g)2(g)   △H₁=-206.6 kJ·mol^-1

II.CH₂=CH₂(g)+3O₂(g)=2CO₂(g)+2H₂O(1)   △H₂

III.2(g)+5O₂(g)=4CO₂(g)+4H₂O(1)    △H₃

(1)若反应Ⅲ在一定温度下可自发进行，则△H₃_____(填“＞”“＜”或“=”)0。

(2)热值是表示单位质量的燃料完全燃烧时所放出的热量，是燃料质量的一种重要指标。已知乙烯的热值为50.4 kJ•g^-1，则△H₃=___kJ•mol^-1。

(3)实验测得2CH₂=CH₂(g)+O₂(g)2(g)  △H₁＜0中，v_逆=k_逆•c²()，v_正=k_正•c²(CH₂=CH₂)•c(O₂)(k_正、k_逆为速率常数，只与温度有关)。

①达到平衡后，仅升高温度，k_正增大的倍数_____(填“大于”“小于”或“等于”)k_逆增大的倍数。

②若在1 L的密闭容器中充入1 mol CH₂=CH₂(g)和1 mo1O₂(g)，在一定温度下只发生反应I，经过10 min反应达到平衡，CH₂=CH₂(g)的转化率为40%，则0〜10 min内v(O₂)=_________，=______(保留两位有效数字)。

(4)下列有关环氧乙烷制备的说法正确的是_____(填字母)。

A.由图1可知，进料气体的初始温度对环氧乙烷的选择性影响不大，可得出乙烯的转化率受初始温度的影响不大

B.由图2可知，原料气的流速加快，乙烯转化率下降，主要是原料气与催化剂接触时间过短造成

C.若进料气中氧气比例增大，环氧乙烷产率降低，其主要原因是部分乙烯、环氧乙烷转化为二氧化碳和水

(5)一种以天然气为燃料的固体氧化物燃料电池的原理如图所示，其中YSZ为6%～10%Y₂O₃掺杂的ZrO₂固体电解质。

a极上的电极反应式为_____；若电路中转移0.1 mol电子，则消耗标准状况下CH₄的体积为_____L。

Answer

＜ -2615.8 小于 0.02 mol/(L·min) 0.56 BC CH4-8e-+4O2-=CO2+2H2O 0.28

【解析】

(1)反应Ⅲ是体系混乱程度减少的反应△S＜0，若在一定温度下反应可自发进行，根据△G=△H-T△S＜0，△S＜0，则△H＜0；

(2)乙烯的热值为50.4 kJ•g-1，则1 mol乙烯的燃烧热为-50.4 kJ•g-1×28 g/mol=-1411.2 kJ/mol，根据盖斯定律，将(I+III)÷2，整理可得CH2=CH2(g)+3O2(g)=2CO2(g)+2H2O(1)，△H==-1411.2 kJ/mol，所以△H3=2△H-△H1=2×(-1411.2 kJ/mol)-(-206.6 kJ/mol)=-2615.8 kJ/mol；

(3)反应2CH2=CH2(g)+O2(g)2(g) △H1＜0的正反应是放热反应，在其他条件不变时，升高温度，v正、v逆都增大，由于温度对吸热反应影响更大，所以v逆增大的比v正增大的多，使得v正＜v逆，所以化学平衡逆向移动。v逆=k逆•c2()，v正=k正•c2(CH2=CH2)•c(O2)，因此达到平衡后，仅升高温度，k正增大的倍数小于k逆增大的倍数；

②根据方程式可知乙烯与氧气反应的物质的量的比是2：1，由于开始时加入了1 mol乙烯，达到平衡时乙烯转化率为40%，则反应的乙烯的物质的量为1 mol×40%=0.4 mol，所以反应的氧气的物质的量是0.2 mol，故0〜10 min内v(O2)==0.02 mol/(L·min)；反应达到平衡时c(CH2=CH2)=(1 mol-0.4 mol)÷1 L=0.6 mol/L，c(O2)=(1 mol-0.2mol)÷1 L=0.8 mol/L，c()=0.4 mol÷1 L=0.4 mol/L，化学平衡常数K==；由于反应达到平衡时v正=v逆，所以k正•c2(CH2=CH2)•c(O2)= k逆•c2()，故==K==0.56；

(4)A．根据图示可知，进料气体的初始温度对环氧乙烷的选择性影响不大，可能是温度对副反应的影响较小造成的，但不能得到初始温度对乙烯的转化率影响不大的结论，实际上升高温度，物质转化率相对有较大影响，A错误；

B．流速越快，反应物接触时间越短，消耗乙烯的量越少，导致乙烯转化率下降，B正确；

C．若进料气中O2比例增大，环氧乙烷产率降低，其主要原因是环氧乙烷与氧气发生副反应转化为二氧化碳和水，C正确；

故合理选项是BC；

(5)根据图示可知在a电极通入甲烷为负极，失去电子发生氧化反应，电极反应式为CH4-8e-+4O2-=CO2+2H2O，每有1 molCH4发生反应，转移8 mol电子；若电路中转移0.1 mol电子，消耗CH4的物质的量为n(CH4)=×0.1 mol=0.0125 mol，其在标准状况下的体积V(CH4)=n·Vm=0.0125 mol×22.4 L/mol=0.28 L。