Question

【題目】乙烯是重要的基本化工原料，以乙烷為原料生產(chǎn)乙烯有多種方法。

I.乙烷裂解脫氫法。該方法的反應(yīng)為：C2H6(g)=C2H4(g)+H2(g) △H=akJ/mol

(1)已知101kPa，298K時(shí)，C(s)和H2(g)生成lmoC2H6(g)、1molC2H4(g)的△H分別為－84.7 kJ/mol、+52.3kJ/mol。則a=___________。

II.乙烷氧化脫氫法，在原料氣中加入氧氣，乙烷氧化脫氫的反應(yīng)如下：2C2H6(g)+O2(g)2C2H4(g)+2H2O(g) △H<0，副反應(yīng)都為放熱反應(yīng)，副產(chǎn)物有CH4(g)、CO(g)、CO2(g)。原料氣(70.1%空氣、29.9%C2H6)在反應(yīng)器中停留15s，獲得相關(guān)數(shù)據(jù)如下表：

反應(yīng)溫度/℃	乙烷轉(zhuǎn)化率/%	乙烯選擇性/%	產(chǎn)率/%
750	80.5	62.9	50.6
800	85.6	64.5	55.2
850	92.2	63.2	58.3
900	97.6	59.0	57.6

(2)①反應(yīng)的平衡常數(shù)表達(dá)式為K=___________，K(750℃)___________K(900℃)(填“>”、“<”、“=”)

②當(dāng)溫度超過800℃時(shí)，乙烯的選擇性降低，其主要原因可能是________________。

III.催化氧化脫氫法。以Mo-V-Nb-Sb的氧化物為催化劑，在常壓、380℃下，反應(yīng)速率與氧氣分壓[P(O2)]、乙烷分壓[P(C2H6)的關(guān)系如下圖所示。

(3)已知該反應(yīng)的速率方程為v=kPm(O2)·Pn(C2H6)，則m=___________，n=___________。

IV質(zhì)子膜燃料電池法。

(4)乙烷氧化制乙烯會(huì)產(chǎn)生CO2的大量排放，近年研究人員開發(fā)了乙烷氧化制乙烯的質(zhì)子膜燃料電池(SOFC)，該燃料電池的負(fù)極反應(yīng)式為__________，這種電池工作過程中沒有CO2排放，原因是______________。

Answer 1

【答案】+137.0 > 副反應(yīng)速率變大(或副反應(yīng)增多) m=0 n=1 C2H6-2e-=C2H4+2H＋ 質(zhì)子膜將氧氣和乙烷、乙烯隔開，使脫氫和氧化分開進(jìn)行，所以沒有CO2產(chǎn)生

【解析】

(1)先分別寫出C與H2轉(zhuǎn)化為乙烷、乙烯的熱化學(xué)方程式，然后將兩個(gè)式子相減，即可得相應(yīng)的熱化學(xué)方程式，確定a的值；

(2)①根據(jù)化學(xué)平衡常數(shù)的含義書寫其表達(dá)式；化學(xué)平衡常數(shù)只與溫度有關(guān)，利用平衡移動(dòng)原理分析判斷；

②從有機(jī)化學(xué)反應(yīng)發(fā)生時(shí)伴隨的副反應(yīng)分析判斷；

(3)①分析圖象中v與p(O2)、p(C2H6)的關(guān)系進(jìn)行判斷；

(4)乙烷氧化制乙烯的質(zhì)子膜燃料電池(SOFC)，乙烷在負(fù)極失氫被氧化，發(fā)生氧化反應(yīng)，據(jù)此寫出該燃料電池的負(fù)極反應(yīng)式；燃料電池將氧化反應(yīng)、還原反應(yīng)分開為兩個(gè)半反應(yīng)。

(1)根據(jù)題意可得熱化學(xué)方程式：①2C(s)+3H2(g)=C2H6(g) △H=-84.7kJ/mol

②2C(s)+2H2(g)=C2H4(g) △H=+52.3kJ/mol，②—①，整理，可得C2H6(g)=C2H4(g)+H2(g) △H=+137kJ/mol；

(2)①化學(xué)平衡常數(shù)是可逆反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，各種生成物濃度冪之積與各種反應(yīng)物濃度冪之積的比，所以反應(yīng)2C2H6(g)+O2(g)2C2H4(g)+2H2O(g) △H<0的化學(xué)平衡常數(shù)表達(dá)式為：K=；化學(xué)平衡常數(shù)只與溫度有關(guān)，由于該反應(yīng)的正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，升高溫度，平衡逆向移動(dòng)，化學(xué)平衡常數(shù)減小，所以K(750℃)>K(900℃)；

②在發(fā)生主反應(yīng)時(shí)，還伴有副反應(yīng)發(fā)生，產(chǎn)生的副產(chǎn)物有CH4(g)、CO(g)、CO2(g)。當(dāng)溫度超過800℃時(shí)，乙烯的選擇性降低，主要原因可能是副反應(yīng)增多，且溫度升高，副反應(yīng)速率變大；

(3)根據(jù)反應(yīng)速率與p(O2)關(guān)系可知：無論p(O2)如何變化，反應(yīng)速率都不發(fā)生變化，說明pm(O2)=1，則m=0；再分析v與Pn(C2H6)的關(guān)系可知：二者呈正比，所以n=1；

(4)乙烷變?yōu)橐蚁�，失氫，發(fā)生氧化反應(yīng)，所以該燃料電池的負(fù)極反應(yīng)式為C2H6-2e-=C2H4+2H＋；質(zhì)子膜將負(fù)極乙烷變乙烯的氧化反應(yīng)與正極上O2獲得電子的反應(yīng)分開進(jìn)行，所以沒有CO2產(chǎn)生。