Question

【題目】以天然氣代替石油生產(chǎn)液體燃料和基礎(chǔ)化學(xué)品是當(dāng)前化學(xué)研究和發(fā)展的重點。

（1）我國科學(xué)家創(chuàng)造性地構(gòu)建了硅化物晶格限域的單中心鐵催化劑，成功實現(xiàn)了甲烷一步高效生產(chǎn)乙烯、芳香烴Y和芳香烴Z等重要化工原料，實現(xiàn)了CO2的零排放，碳原子利用率達100%。已知Y、Z的相對分子質(zhì)量分別為78、128，其一氯代物分別有1種和2種。

①有關(guān)化學(xué)鍵鍵能數(shù)據(jù)如表中所示：

化學(xué)鍵	H－H	C=C	C－C	C≡C	C－H
E（kJ/mol）	436	615	347.7	812	413.4

寫出甲烷一步生成乙烯的熱化學(xué)方程式_________________________，反應(yīng)中硅化物晶格限域的單中心鐵催化劑的作用是________________________；

②已知：原子利用率=期望產(chǎn)物總質(zhì)量/反應(yīng)物總質(zhì)量×100%，則甲烷生成芳香烴Y的原子利用率為___________；

③生成1 mol Z產(chǎn)生的H2約合標(biāo)準(zhǔn)狀況下________L。

（2）如圖為乙烯氣相直接水合法制備乙醇中乙烯的平衡轉(zhuǎn)化率與溫度、壓強的關(guān)系

（其中n(H2O):n(C2H4)=1:1）。

①若p2=8.0 MPa，列式計算A點的平衡常數(shù)Kp=____________（用平衡分壓代替平衡濃度計算；分壓=總壓×物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)；結(jié)果保留到小數(shù)點后兩位）；

②該反應(yīng)為__________（填“吸熱”或“放熱”）反應(yīng)，圖中壓強（p1、p2、p3、p4）的大小關(guān)系為____________，理由是________________；

③氣相直接水合法常采用的工藝條件：磷酸/硅藻土為催化劑，反應(yīng)溫度為290℃，壓強為6.9 MPa，n(H2O):n(C2H4)=0.6:1。乙烯的轉(zhuǎn)化率為5%，若要進一步提高乙烯的轉(zhuǎn)化率，除了可以適當(dāng)改變反應(yīng)溫度和壓強外，還可以采取的措施有______________（任寫兩條）。

（3）乙烯可以作為燃料電池的負(fù)極燃料，請寫出以熔融碳酸鹽作為電解質(zhì)時，負(fù)極的電極反應(yīng)式________________________________。

Answer 1

【答案】 2CH4(g)=C2H4(g)+2H2(g) ΔH=+166.6 kJ/mol 降低反應(yīng)活化能，加快反應(yīng)速率 81.25% 179.2 L MPa 放熱 p1<p2<p3<p4 該反應(yīng)為反應(yīng)后氣體體積減小的反應(yīng)，溫度不變時，增大壓強乙烯的轉(zhuǎn)化率增大 將產(chǎn)物乙醇液化移去，或增大水與乙烯的比例 C2H4－12e－+6CO32－=8CO2+2H2O

【解析】甲烷一步生產(chǎn)乙烯、芳烴Y和Z，反應(yīng)過程本身實現(xiàn)了CO2的零排放，即碳原子守恒，Y、Z的相對分子質(zhì)量分別為78、128，且X、Y的核磁共振氫譜只有一個峰，Z的核磁共振氫譜有二個峰，則X為CH2=CH2，Y為苯，Z為對（CH3）3CCH2C（CH3），

①甲烷一步生成CH2=CH2，斷裂碳?xì)滏I，形成碳碳雙鍵，根據(jù)題中化學(xué)鍵的鍵能數(shù)據(jù)可知該反應(yīng)的反應(yīng)熱△H=（8×413.4-4×413.4-615-2×436.0）kJ/mol=+166.6kJ/mol，所以熱化學(xué)方程式為2CH4（g）C2H4（g）+2H2（g）△H=+166.6kJ/mol，硅化物晶格限域的單中心鐵催化劑的作用是降低反應(yīng)的活化能，加快反應(yīng)的速率；

②甲烷生成苯的反應(yīng)方程式為6CH4→+9H2，所以原子利用率為×100%=81.25%；

③由甲烷生成1 mol（CH3）3CCH2C（CH3） ，根據(jù)原子守恒，參加反應(yīng)的甲烷為9mol，同時生成氫氣的物質(zhì)的量為=8mol，體積為8mol×22.4L/mol=179.2 L；

（2）① C2H4（g）+H2O（g）═C2H5OH（g）
開始：1 1 0
轉(zhuǎn)化：0.2 0.2 0.2
平衡：0.8 0.8 0.2

乙醇占=，乙烯和水各占=，則乙醇的分壓為8.0 MPa×，A點的平衡常數(shù)MPa；

②在恒壓條件下，溫度升高，乙烯的轉(zhuǎn)化率降低，則平衡逆向移動，該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，在相同溫度下由于乙烯轉(zhuǎn)化率為p1＜p2＜p3＜p4，由C2H4（g）+H2O（g）═C2H5OH（g）可知正反應(yīng)為氣體體積減小的反應(yīng)，所以增大壓強，平衡正向移動，乙烯的轉(zhuǎn)化率提高，因此壓強關(guān)系是p1＜p2＜p3＜p4，

③若要進一步提高乙烯轉(zhuǎn)化率，除了可以適當(dāng)改變反應(yīng)溫度和壓強外，還可以改變物質(zhì)的濃度，如從平衡體系中將產(chǎn)物乙醇分離出來，或增大水蒸氣的濃度，改變二者物質(zhì)的量的比等；

（3）負(fù)極上乙烯失電子被氧化生成CO2，其電極反應(yīng)式為C2H4－12e－+6CO32－=8CO2+2H2O。