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，如图所示，甲烷在催化作用下脱氢，在不同温度下分别形成、、等自由基，在气相中经自由基：CH₂偶联反应生成乙烯(该反应过程可逆)

(1)已知相关物质的燃烧热如表所示，写出甲烷制备乙烯的热化学方程式__________。

(2)现代石油化工采用Ag作催化剂，可实现乙烯与氧气制备X(分子式为C₂H₄O，不含双键)该反应符合最理想的原子经济，则反应产物是__________(填结构简式)

(3)在400℃时，向初始体积为1L的恒压密闭反应器中充入1molCH₄，发生(1)中反应，测得平衡混合气体中C₂H₄的体积分数为25.0%。则：

①在该温度下，其平衡常数K_C＝__________。

②若向该反应器中通入高温水蒸气(不参加反应，高于400℃)，则C₂H₄的产率__________。(填“增大”“减小”“不变”或“无法确定”)，理由是__________。

③若反应器的体积固定，不同压强下可得变化如图所示，则压强p₁与p₂的大小关系是__________。

(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所示。在温度高于600℃时，有可能得到一种较多的双碳有机副产物的名称是__________。

(5)C₂H₄、C₂H₆常常作为燃料电池的原料，请写出C₂H₄在NaOH溶液中做燃料电池的负极的电极反应方程式__________。

Answer

2CH4(g)⇌C2H4(g)+2H2(g)ΔH=+202.0kJ/mol 1.0 增大 该反应为气体体积增大的吸热反应，通入高温水蒸汽相当于加热，同时通入水蒸气，反应器的体积增大，相当于减小压强，均使平衡右移，C2H4的产率增大 p1>p2 乙炔 16OH—+C2H4—12e—=2+10H2O

【解析】

(1)根据表格中数据书写H2、CH4、C2H4燃烧热的热化学方程式，由盖斯定律计算；

(2)X的分子式C2H4O，不含双键，判断出X的结构简式；

(3)①根据三段式结合平衡混合气体中C2H4的体积分数为25.0%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；

(4)由图可知，温度高于600℃时，有较多的自由基生成；

(5)燃料电池中，通入燃料的一极为负极，通入氧气的一极为正极，据此分析书写电极反应。

(1)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=-1411.0kJ/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=+202.0kJ/mol；

(2)由题意乙烯与氧气催化制备X，X的分子式C2H4O，不含双键，反应符合最理想的原子经济可知，X的结构简式为；

(3)①400℃时，向1L的恒容反应器中充入1molCH4，发生上述反应，测得平衡混合气体中C2H4的体积分数为25.0%，设转化的甲烷为x，由此建立如下三段式：

相同条件下气体的体积比等于物质的量之比，所以有=25%，解得x=mol，平衡时气体的总物质的量为(++)mol=mol，容器恒压，则气体的物质的量之比等于体积之比，原体积为1L，则此时体积应为L，所以化学平衡常数KC= ==1.0；

②甲烷制备乙烯的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，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；

③若容器体积固定，甲烷制备乙烯的反应为气体体积增大的反应，温度相同时，增大压强平衡向逆反应方向移动，CH4的平衡转化率降低，因此p1＞p2；

(4) 据图可知温度高于600℃时，应有较多的自由基生成，自由基结合生成，则双碳有机副产物为乙炔；

(5)燃料电池通入燃料的一极为负极，负极化合价升高，C2H4在NaOH溶液中转化为CO32-，电极反应式为：C2H4-12e-+16OH-=2CO32-+10H2O。