Question

【題目】中科院一項最新成果實現(xiàn)了甲烷高效生產(chǎn)乙烯，甲烷在催化作用下脫氫，在氣相中經(jīng)自由基偶聯(lián)反應(yīng)生成乙烯，其反應(yīng)如下：2CH4(g)C2H4(g)＋2H2(g)　ΔH＞0

化學(xué)鍵	H—H	C—H	C＝C	C—C
E(kJ/mol)	a	b	c	d

（1）已知相關(guān)化學(xué)鍵的鍵能如上表，甲烷制備乙烯反應(yīng)的ΔH＝____________ (用含a、b、c、d的代數(shù)式表示)。

（2）T1溫度時，向1 L的恒容反應(yīng)器中充入2mol CH4 ，僅發(fā)生上述反應(yīng)，反應(yīng)過程中 0～15min CH4的物質(zhì)的量隨時間變化如圖1，測得10～15min時H2的濃度為1.6mol/L。

①0～10min內(nèi)CH4表示的反應(yīng)速率為__________mol/(L·min)。

②若圖1中曲線a、曲線b分別表示在溫度T1時，使用質(zhì)量相同但表面積不同的催化劑時，達(dá)到平衡過程中n(CH4)變化曲線，其中表示催化劑表面積較大的曲線是 ________ (填“a”或 “b”)。

③15min時，若改變外界反應(yīng)條件，導(dǎo)致n(CH4)發(fā)生圖1中所示變化，則改變的條件可能是_____________________________________(任答一條即可)。

（3）實驗測得v正＝k正c2(CH4)，v逆＝k逆c(C2H4)·c2(H2)其中k正、k逆為速率常數(shù)僅與溫度有關(guān)，T1溫度時k正與k逆的比值為______ (填數(shù)值)。若將溫度由T1升高到T2，則反應(yīng)速率增大的倍數(shù)v正____v逆(填“>”“＝”或“<”)，判斷的理由是_________________ 。

（4）科研人員設(shè)計了甲烷燃料電池并用于電解。如圖2所示，電解質(zhì)是摻雜了 Y2O3與 ZrO2的固體，可在高溫下傳導(dǎo)O2－。

①C極的Pt為______ 極(填“陽”或“陰” )。

②該電池工作時負(fù)極反應(yīng)方程式為_____________________。

③用該電池電解飽和食鹽水，一段時間后收集到標(biāo)況下氣體總體積為112mL，則陰極區(qū)所得溶液在25℃時pH＝_______ (假設(shè)電解前后NaCl溶液的體積均為500mL)。

Answer 1

【答案】+(4b-c-2a) kJ/mol 0.16 b 升高溫度或減小壓強 12.8 ＞ 溫度升高，k正增大的倍數(shù)大于k逆 陽 CH4-8e-+4O2-=CO2+2H2O 12

【解析】

(1)2CH4(g)C2H4(g)+2H2(g)△H＞0，反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，焓變?yōu)檎�值，反�?yīng)焓變△H=反應(yīng)物總鍵能-生成物總鍵能；

(2)①根據(jù)v=計算；

②催化劑表面積越大反應(yīng)速率越快；

③15min時，若改變外界反應(yīng)條件，導(dǎo)致n(CH4)發(fā)生圖中所示變化，物質(zhì)的量隨時間變化減小，說明平衡正向進(jìn)行；

(3)v正=k正c2(CH4)，v逆=k逆c(C2H4)c2(H2)其中k正、k逆為速率常數(shù)僅與溫度有關(guān)，溫度不變平衡常數(shù)不變，反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)時，正逆反應(yīng)速率相同得到T1溫度時k正與k逆的比值等于K，反應(yīng)為放熱反應(yīng)，升溫平衡正向進(jìn)行；

(4)甲烷燃料電池并用于電解，通入甲烷的電極為原電池負(fù)極，通入氧氣的電極為原電池的正極，D電極為陰極，C為陽極，

①C電極為電解池的陽極；

②原電池負(fù)極電極反應(yīng)是甲烷失電子生成二氧化碳，傳導(dǎo)離子是氧離子，結(jié)合電荷守恒、原子守恒寫出電極反應(yīng)；

③結(jié)合電極反應(yīng)計算溶液中氫離子濃度減少得到增加的氫氧根離子濃度，結(jié)合離子積常數(shù)計算得到氫離子濃度計算溶液PH。

(1)2CH4(g)C2H4(g)+2H2(g)△H＞0，反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，焓變?yōu)檎�值，反�?yīng)焓變△H=反應(yīng)物總鍵能-生成物總鍵能=(8b-c-4b-2a)kJ/mol=+(4b-c-2a) kJ/moL；

(2)①T1溫度時，向1L的恒容反應(yīng)器中充入2mol CH4，僅發(fā)生上述反應(yīng)，測得10-15min時H2的濃度為1.6mol/L，物質(zhì)的量為1.6mol，反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，此時消耗甲烷物質(zhì)的量1.6mol，0～10min內(nèi)CH4表示的反應(yīng)速率v===0.16mol/(Lmin)；

②若圖1中曲線a、曲線b分別表示在溫度T1時，使用質(zhì)量相同但表面積不同的催化劑時，達(dá)到平衡過程中n (CH4)的變化曲線，催化劑表面積越大反應(yīng)速率越快，達(dá)到平衡所需時間越短，其中表示催化劑表面積較大的曲線是b，故答案為：b；

③15min時，若改變外界反應(yīng)條件，導(dǎo)致n( CH4)發(fā)生圖中所示變化，物質(zhì)的量隨時間變化減小，說明平衡正向進(jìn)行，反應(yīng)為氣體體積增大的吸熱反應(yīng)，升高溫度或減小壓強，平衡正向進(jìn)行，符合圖象變化；

(3)v正=k正c2(CH4)，v逆=k逆c(C2H4)c2(H2)其中k正、k逆為速率常數(shù)僅與溫度有關(guān)，溫度不變平衡常數(shù)不變，反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)時，正逆反應(yīng)速率相同得到，T1溫度時k正與k逆的比值=K，測得10-15 min時H2的濃度為1.6mol/L，

K==12.8，反應(yīng)為放熱反應(yīng)，升溫平衡正向進(jìn)行，正逆反應(yīng)速率增大，正反應(yīng)增大的倍數(shù)大于逆反應(yīng)增大的倍數(shù)，v正＞v逆；

(4)①甲烷燃料電池并用于電解，通入甲烷的電極為原電池負(fù)極，通入氧氣的電極為原電池的正極，D電極為陰極，C為陽極；

②原電池負(fù)極電極反應(yīng)是甲烷失電子生成二氧化碳，傳導(dǎo)離子是氧離子，該電池工作時負(fù)極反應(yīng)方程式為：CH4-8e-+4O2-=CO2+2H2O；

③用該電池電解飽和食鹽水，一段時間后收集到標(biāo)況下氣體總體積為112 mL，物質(zhì)的量n==0.005mol，為生成的氫氣和氯氣，n(H2)=n(Cl2)=0.0025mol，結(jié)合電極反應(yīng)計算，2H++2e-=H2↑，溶液中氫離子濃度減少=增加的氫氧根離子濃度=×2=0.01mol/L，結(jié)合離子積常數(shù)計算得到氫離子濃度=mol/L=10-12mol/L，計算溶液pH=12。