Question

中科院大连化学物理研究所的一项最新成果实现了甲烷高效生产乙烯，甲烷在催化作用下脱氢，在气相中经自由基偶联反应生成乙烯，如图所示。

 

（1）现代石油化工采用Ag作催化剂，可实现乙烯与氧气制备X（分子式C₂H₄O，不含双键），该反应符合最理想的原子经济，则反应的化学方程式是______________（有机物请写结构简式）。

（2）已知相关物质的燃烧热如上表，写出甲烷制备乙烯的热化学方程式_____________。

（3）在400 ℃时，向初始体积1 L的恒压反应器中充入1 molCH₄，发生上述反应，测得平衡混合气体中C₂H₄的体积分数为20.0%。则：

①在该温度下，其平衡常数K＝________。

②若向该容器通入高温水蒸气（不参加反应，高于400℃），C₂H₄的产率将________（选填“增大”“减小”“不变”“无法确定”），理由是_____________。

③若容器体积固定，不同压强下可得变化如下图，则压强的关系是__________。

④实际制备C₂H₄时，通常存在副反应：2CH₄(g) →C₂H₆(g)＋H₂(g)。反应器和CH₄起始量不变，不同温度下C₂H₆和C₂H₄的体积分数与温度的关系曲线如图。

A．在200 ℃时，测出乙烷的量比乙烯多的主要原因可能是_____________。

B．400℃时，C₂H₄、C₂H₆的体积分数分别为20.0%、6.0%，则体系中CH₄的体积分数是_________。

Answer

2CH2 = CH2 + O22 2CH4（g）C2H4（g）+2H2（g）△H=+202.0  kJ/mol 0.20mol/L 增大 该反应为气体体积增大的吸热反应，通入高温水蒸气相当于加热，同时通入水蒸气，容器的体积增大，相当于减小压强，平衡均右移，产率增大 p1＞p2 在200℃时，乙烷的生成速率比乙烯的快 28%

【解析】

(1)X的分子式C2H4O，不含双键，判断出X的结构简式，反应符合最理想的原子经济，据此书写反应的化学方程式；

(2)根据表格中数据书写H2、CH4、C2H4燃烧热的热化学方程式，然后根据盖斯定律计算甲烷制备乙烯的反应热；

(3)①根据三段式结合平衡混合气体中C2H4的体积分数为20.0%计算；

②通入高温水蒸气，相当于加热和减小压强，根据(2)中的反应并结合平衡的影响因素分析解答；

③若容器体积固定，根据反应的特征结合压强对平衡的影响分析判断；

④A.根据图象结合反应速率解答；B.设最终气体的总物质的量为x，计算出平衡时C2H4、C2H6和氢气的物质的量，再计算甲烷的体积分数。

(1)现代石油化工采用Ag作催化剂，可实现乙烯与氧气制备X(分子式C2H4O，不含双键)，X为，该反应符合最理想的原子经济，则反应的化学方程式为2CH2 = CH2 + O22，故答案为2CH2 = CH2 + O22；

(2)根据表格中数据有：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=-1411.5kJ/mol，甲烷制备乙烯的化学方程式为：2CH4(g)→C2H4(g)+2H2(g)，根据盖斯定律，将②×2-③-①×2得到，2CH4(g)→C2H4(g)+2H2(g) △H=2△H2-△H3-2△H1 =+202.5kJ/mol，故答案为2CH4(g)→C2H4(g)+2H2(g)△H=+202.5 kJ/mol；

(3)①400℃时，向1L的恒容反应器中充入1mol CH4，发生上述反应，测得平衡混合气体中C2H4的体积分数为20.0%，

2CH4(g)⇌C2H4(g)+2H2(g)

起始(mol) 1 0 0

转化(mol) 2x x 2x

平衡(mol) 1-2x x 2x

所以有＝20.0%，解得：x=0.25，平衡后气体的体积=×1L=1.25L，所以化学平衡常数为K== =0.20mol/L，故答案为0.20mol/L；

②2CH4(g)→C2H4(g)+2H2(g)△H=+202.5 kJ/mol，反应为气体体积增大的吸热反应，通入高温水蒸气(不参加反应，高于400℃)相当于加热，平衡右移，产率增大；同时通入水蒸气，容器的体积增大，相当于减小压强，平衡右移，产率也增大，因此C2H4的产率将增大，故答案为增大；该反应为气体体积增大的吸热反应，通入高温水蒸气相当于加热，同时通入水蒸气，容器的体积增大，相当于减小压强，平衡均右移，产率增大；

③若容器体积固定，2CH4(g)→C2H4(g)+2H2(g)，反应为气体分子数增多的反应，温度相同时，压强增大不利于反应正向进行，CH4的平衡转化率降低，因此p1＞p2，故答案为p1＞p2；

④A.根据图象，200℃时，测出乙烷的量比乙烯多，是因为生成乙烷的反应速率较快，故答案为在200℃时，乙烷的生成速率比乙烯的快；

B.设最终气体的总物质的量为x，则C2H4为0.2x、C2H6为0.06x，根据2CH4(g)→C2H4(g)+2H2(g)和2CH4(g) →C2H6(g)＋H2(g)可知，生成的氢气为0.4x+0.06x=0.46x，则含有的甲烷为x-(0.2x+0.06x+0.46x)=0.28x，因此体系中CH4的体积分数=×100%=28%，故答案为28%。