Question

【題目】(一)乙炔是一種重要的化工原料，最新研制出的由裂解氣(H2、CH4、C2H4)與煤粉在催化劑條件下制乙炔，該生產過程是目前清潔高效的煤化工過程。已知：發生的部分反應如下（在25℃、 101 kPa時）,CH4、C2H4 在高溫條件還會分解生成炭與氫氣：

①C (s) +2H2(g)CH4(g) △H1=－74.85kJmol-1

②2CH4(g)C2H4(g) +2H2(g) △H2=340.93kJmol-1

③C2H4(g)C2H2(g) +H2(g) △H3=35.50kJmol-1

請回答：

（1）依據上述反應， 請寫出 C 與 H2化合生成 C2H2 的熱化學方程式：______________。

（2）若以乙烯和氫氣的混合氣體以一定流速通過填充有催化劑的反應器（氫氣的作用是活化催化劑），出口氣中含有乙烯、乙炔、氫氣等。圖1 為乙炔產率與進料氣中 n（氫氣）/n（乙烯）的關系。圖中曲線呈現先升高后降低的變化趨勢，其降低的原因是______________。

（3）圖 2 為上述諸反應達到平衡時各氣體體積分數和反應溫度的關系曲線。

①乙炔體積分數在1530℃之前隨溫度升高而增大的原因可能是_______________；1530℃之后，乙炔體積分數增加不明顯的主要原因可能是_______________。

②在體積為1L的密閉容器中反應，1530℃時測得氣體的總物質的量為1.000 mol，則反應C2H4(g)C2H2(g) +H2(g) 的平衡常數 K=_______________。

③請在圖3中繪制乙烯的體積分數和反應溫度的關系曲線__________。

(二)當今，人們正在研究有機鋰電解質體系的鋰-空氣電池，它是一種環境友好的蓄電池。放電時電池的總反應為:4Li+O2===2Li2O。在充電時，陽極區發生的過程比較復雜，目前普遍認可的是按兩步進行，請補充完整。電極反應式： ________________________和 Li2O2－2e-＝2Li＋＋O2。

Answer 1

【答案】 2C(s) +H2(g)C2H2(g) △H1=226.73kJmol—1 一開始充入氫氣是為活化催化劑，故稍增大氫氣的量能讓乙炔產率增大，原料中過量 H2 會使反應③平衡逆向移動，所以乙炔產率下降； 1530℃前升高溫度，反應②③平衡正向移動，乙炔更多 高溫則有更多的甲烷與乙烯裂解生成碳導致乙炔體積分數增加不大 9(1.000-0.0840-0.8240-0.8240=0.008,按照加減法有效數字原則)或8.652 注意:起點溫度要低于乙炔的起點； 最高點的相應溫度低于 1530℃,1530k交點乙烯的體積分數不要超過為0.01 2Li2O-2 e-==2Li＋＋Li2O2

【解析】(一)（1）根據蓋斯定律：①×2+②+③整理得2C(s) +H2(g)C2H2(g) △H1=226.73kJmol—1；正確答案：2C(s) +H2(g)C2H2(g) △H1=226.73kJmol—1。

（2）根據題給信息，結合圖像分析可知：剛開始充入氫氣是為活化催化劑，故稍增大氫氣的量能讓乙炔產率增大，原料中過量 H2 會使反應③平衡逆向移動，所以乙炔產率下降；正確答案：一開始充入氫氣是為活化催化劑，故稍增大氫氣的量能讓乙炔產率增大，原料中過量 H2 會使反應③平衡逆向移動，所以乙炔產率下降。

（3）①上述三個反應中，只有②③兩個反應為吸熱反應，升高溫度，平衡右移，有利于乙炔的生成；但是溫度太高，針對于①反應來說，平衡左移，有更多的甲烷分解為碳，甲烷的量較少，導致②③兩個反應均向左移動，乙炔氣體的體積分數增加不大；正確答案：1530℃前升高溫度，反應②③平衡正向移動，乙炔更多；高溫則有更多的甲烷與乙烯裂解生成碳導致乙炔體積分數增加不大。

②體積為1L的密閉容器，1530℃時測得氣體的總物質的量為1.000 mol，根據圖像2可知，c(H2)=0.824mol/L, c(C2H2)=0.0840 mol/L, c(CH4)= 0.0840 mol/L, c(C2H4)=1-0.824-0.0840-0.0840=0.008 mol/L；C2H4(g)C2H2(g) +H2(g) 的平衡常數 K= c(C2H2)×c(H2)/ c(C2H4)= (0.0840×0.824)/ 0.008=8.652；正確答案：8.652。

③根據題給信息可知，①②兩個反應都產生乙烯氣體，所以剛開始乙烯的體積分數增大，隨著C2H4(g)C2H2(g) +H2(g) △H3=35.50kJmol-1發生，升高溫度，平衡右移，乙烯的體積分數在減少，乙炔的體積分數在增大，最終達到平衡狀態；乙烯的體積分數和反應溫度的關系曲線如下：

說明：起點溫度要低于乙炔的起點； 最高點的相應溫度低于 1530℃,1530k交點乙烯的體積分數不要超過為0.01。

(二) 充電時，陽極區發生氧化反應，總反應為2Li2O-4 e-= O2+4 Li＋；陽極區發生反應按兩步進行，用總反應減去Li2O2－2e-＝2Li＋＋O2就可得到第一個反應為2Li2O-2 e-==2Li＋＋Li2O2；正確答案：2Li2O-2 e-==2Li＋＋Li2O2。