Question

【題目】中科院大連化學物理研究所的一項最新成果實現(xiàn)了甲烷高效生產乙烯。甲烷在催化作用下脫氫，在不同溫度下分別形成CH3、等自由基，在氣相中經自由基：CH2偶聯(lián)反應生成乙烯（該反應過程可逆）。

物質	燃燒熱（kJmol-1）
氫氣	285.8
甲烷	890.3
乙烯	1411.0

（1）已知相關物質的燃燒熱如表所示，寫出甲烷制備乙烯的熱化學方程式______。

（2）現(xiàn)代石油化工采用Ag作催化劑，可實現(xiàn)乙烯與氧氣制備X（分子式為C2H4O，不含雙鍵）。該反應符合最理想的原子經濟，則反應產物是______（填結構簡式）。

（3）在一定條件下，向2L的恒容密閉反應器中充入1molCH4，發(fā)生上述（1）反應，10分鐘后達到平衡，測得平衡混合氣體中C2H4的體積分數(shù)為20.0%．則：

①用CH4表示該反應的平均速率為______。

②在該溫度下，其平衡常數(shù)K=______。

③下列說法正確的是______。

a．升高溫度有利于提高C2H4的產率

b．向平衡體系中充入少量He，CH4的轉化率降低

c．當混合氣體的密度不再變化時，說明該反應達到平衡狀態(tài)

d．向上述平衡體系中再充入1molCH4，達到平衡后H2的體積分數(shù)減小

e．若實驗測得：v（正）=k（正）c2（CH4），v（逆）=k（逆）c2（H2）c（C2H4）。其中k（正）、k（逆）為受溫度影響的速率常數(shù)，該反應的平衡常數(shù)K=

（4）以鉛蓄電池為電源，將CO2轉化為乙烯的裝置如圖所示，電解所用電極材料均為惰性電極。電解過程中，陽極區(qū)溶液中c（H+）逐漸______（填“增大”、“減小”或“不變”），陰極反應式______。

Answer 1

【答案】2CH4(g)═C2H4(g)+2H2(g) △H=+202.0kJ/mol 0.025mol·L-1·min-1 0.125 ae 增大 2CO2+12H++12e-=C2H4+4H2O

【解析】

（1）已知：①H2(g)+1/2O2(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，

甲烷制備乙烯的化學方程式為：2CH4(g)═C2H4(g)+2H2(g)，反應可由②×2③①×2得到，根據(jù)蓋斯定律，反應的焓變?yōu)?/span>△H=2△H2△H32△H1=+202.0kJ/mol，故答案為：2CH4(g)═C2H4(g)+2H2(g) △H=+202.0 kJ/mol；

（2）用Ag作催化劑，可實現(xiàn)乙烯與氧氣制備X(分子式C2H4O，不含雙鍵)，該反應符合最理想的原子經濟，X為，方程式為，故答案為：；

（3）設平衡時生成的C2H4的物質的量為a，根據(jù)三段式：

×100%=20.0%，a=0.25mol。

①用CH4表示該反應的平均速率為：v(CH4)==0.025mol·L-1·min-1，故答案為：0.025mol·L-1·min-1；

②在該溫度下，其平衡常數(shù)K===0.125，故答案為：0.125

③a．2CH4(g)═C2H4(g)+2H2(g) △H=+202.0 kJ/mol，正反應為吸熱反應，所以升高溫度，平衡正向移動，有利于提高C2H4的產率，a正確；

b．恒容密閉反應器中,充入少量He，壓強變大，但各物質的濃度不變，平衡不移動，CH4的轉化率不變，b錯誤

c．總質量不變，總體積不變，密度也不變，當混合氣體的密度不再變化時，不能說明該反應達到平衡狀態(tài)，c錯誤；

d．向上述平衡體系中再充入1molCH4，建立等效平衡，達到平衡后H2的體積分數(shù)不變，d錯誤；

e. v(正)=k(正)c2(CH4)，v(逆)=k(逆)c2(H2)·c(C2H4)，該反應的平衡常K==，e正確；故答案為：ae；

（4）陰極反應式：2CO2+12H++12e-=C2H4+4H2O，陽極反應式：2H2O-4e-=4 H++O2↑，陽極區(qū)溶液中c(H+)逐漸增大，故答案為：增大；2CO2+12H++12e-=C2H4+4H2O。