题目内容

【题目】乙炔(C2H2)在气焊、气割及有机合成中用途非常广泛,可由电石(CaC2)直接水化法或甲烷在1500℃左右气相裂解法生产。

(1)电石水化法制乙炔是将生石灰与焦炭在3000℃下反应生成CaC2CaC2再与水反应即得到乙炔。CaC2与水反应的化学方程式为___________________________

(2)已知:CH4(g)2O2(g)===CO2(g)2H2O(l) ΔH1=-890.3 kJ/mol

C2H2(g)2.5O2(g)===2CO2(g)H2O(l) ΔH2=-1299.6 kJ/mol

2H2(g)O2(g)===2H2O(l) ΔH3=-571.6 kJ/mol

则甲烷气相裂解反应:2CH4(g)===C2H2(g)3H2(g)ΔH________kJ/mol

(3)哈斯特研究得出当甲烷分解时,几种气体平衡时分压(Pa)与温度()的关系如图所示。

T1℃时,向1 L恒容密闭容器中充入0.3 mol CH4只发生反应2CH4(g) C2H4(g)2H2(g),达到平衡时,测得c(C2H4)c(CH4)。该反应的ΔH_____0(“>”“<”)CH4的平衡转化率为________。上述平衡状态某一时刻,若改变温度至T2℃,CH40.01 mol/(L·s)的平均速率增多,经t s后再次达到平衡,平衡时,c(CH4)2c(C2H4),则T1_____(“>” “<”)T2t________s

②列式计算反应2CH4(g) C2H2(g)3H2(g)在图中A点温度时的平衡常数K__________________(用平衡分压代替平衡浓度计算,lg0.05=-1.3)

③由图可知,甲烷裂解制乙炔有副产物乙烯生成,为提高甲烷制乙炔的转化率,除改变温度外,还可采取的措施有__________________

【答案】CaC22H2O―→Ca(OH)2C2H2 376.4 > 66.7% > 5 5.0×104 充入适量乙烯

【解析】

(1)碳化钙和水反应生成氢氧化钙和乙炔;
(2)根据盖斯定律来分析;
(3)①分解反应绝大多数为吸热反应;设出CH4的转化浓度,然后根据三段式,利用c(C2H4)=c(CH4)来解答;根据改变温度后,CH4的浓度升高来判断温度的变化;表示出变化后的CH4和C2H4的浓度,然后根据c(CH4)=2c(C2H4)来计算;②根据平衡常数表达式来计算;③甲烷裂解制乙炔有副产物乙烯生成,为提高甲烷制乙炔的转化率,可以充入适量的乙烯。

(1)碳化钙和水反应生成氢氧化钙和乙炔,反应的化学方程式为:CaC2+2H2O→Ca(OH)2+C2H2↑,故答案为:CaC2+2H2O→Ca(OH)2+C2H2↑;

(2)已知:①CH4(g)+2O2 (g)═CO2(g)+2H2O(l)△H=-890.3kJmol-1

②C2H2(g)+2.5O2(g)=2CO2 (g)+H2O(l)△H2=-1299.6kJ/mol
③2H2 (g)+O2(g)=2H2O(l)△H3=-571.6kJ/mol,
将①×4-②-③×3/2可得:2CH4(g)=C2H2(g)+3H2 (g)△H=(-890.3kJmol-1 )×4-(-1299.6kJmol-1)-(-571.6kJmol-1)×3/2=+376.4kJ/mol,故答案为:+376.4;
(3)①反应2CH4(g)=C2H4(g)+2H2(g)为分解反应,而分解反应绝大多数为吸热反应,故此反应为吸热反应;
设CH4的转化浓度为Xmol/L,可知:
2CH4(g)=== C2H4(g)+ 2H2(g)
初始浓度(mol/L):0.3 0 0

浓度变化(mol/L):X X/2 X

平衡浓度(mol/L):(0.3-X) X/2 X

根据c(C2H4)=c(CH4)可知:0.3-X=X/2

解得X=0.2mol/L;故CH4的平衡转化率=0.2/0.3×100%=66.7%;
改变温度后,CH4的浓度升高,即平衡左移,即温度应为降低,即T1>T2
由于CH4以0.01mol/(Ls)的平均速率增多,经ts后再次达到平衡,故在tS的时间内,CH4的浓度变化为0.01tmol/L,根据浓度的该变量之比等于计量数之比,利用三段式来计算:
2CH4(g) == C2H4(g)+2H2(g)
初始浓度:0.1mol/L 0.1mol/L
浓度改变:0.01tmol/L 0.005tmol/L
平衡浓度:(0.1+0.01t)mol/L (0.1-0.005t)mol/L
由于c(CH4)=2c(C2H4),故有:0.1+0.01t=2×(0.1-0.005t),解得t=5
故答案为:>;66.7%;>;5;
②根据此反应的平衡常数表达式,将气体的平衡浓度换为平衡分压,即 ,故答案为:5×104
③甲烷裂解制乙炔有副产物乙烯生成,充入适量的乙烯,可抑制甲烷向乙烯的转化,从而提高甲烷制乙炔的转化率,故答案为:可以充入适量的乙烯。

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