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2 molCH4 ,僅發(fā)生上述反應(yīng)，反應(yīng)過程中 0~15 min CH4的物質(zhì)的量隨時間變化如圖1所示，測得10-15 min時H2的濃度為1.6 mol/L。

①0~ 10 min內(nèi)CH4表示的反應(yīng)速率為____mol/(Lmin) o

②若圖中曲線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”)。

③15 min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，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(選填“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112 mL,則陰極區(qū)所得溶液c(OH—)=_______ (假設(shè)電解前后溶液的體積均為500 mL)。

Answer 1

【答案】+ (4b-c-2a) kJmoL-1 0.16 b 升高溫度 或減小壓強或減小某一生成物濃度 12.8 ＞ 該反應(yīng)ΔH＞0，溫度升高，平衡向正反應(yīng)方向移動，即V正 > V逆，也就是k正增大的倍數(shù)大于k逆 陽 CH4－8e－+4O2－=CO2+2H2O 0.01mol·L－1

【解析】

⑴根據(jù)焓變公式進行計算。

⑵已知氫氣的濃度，可以先算氫氣的速率，再算甲烷的速率，根據(jù)圖像分析表面積越大，催化效果越好，甲烷的量在減少，說明平衡正向移動，可以通過減小壓強，升高溫度等來影響平衡移動。

⑶通過平衡是速率相等計算，升高溫度，平衡正向移動，正反應(yīng)速率比逆反應(yīng)速率增加得快。

⑷原電池中燃料作負(fù)極，氧化劑作正極，連接正極的是電解池的陽極，根據(jù)電解質(zhì)書寫負(fù)極電極反應(yīng)，再根據(jù)電解方程式計算氫氧根濃度。

⑴焓變等于反應(yīng)物鍵能總和減去生成物鍵能總和，ΔH=(8b －4b －c－2a) kJmoL-1 = + (4b－c－2a) kJmoL-1，故答案為：+ (4b－c－2a) kJmoL-1。

(2)①0~ 10 min內(nèi)氫氣的反應(yīng)速率為，甲烷的速率等于氫氣的速率，因此CH4的速率0.16molL-1min-1，故答案為：0.16molL-1min-1。

②若圖中曲線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，達到平衡過程中n (CH4)變化曲線，其中表示催化劑表面積較大則催化效果更好，反應(yīng)速率更快，因此催化劑表面積較大的曲線是b，故答案為：b。

③根據(jù)圖像得出甲烷的物質(zhì)的量減小，說明正向移動，則可能是升高溫度或減小壓強或減小某一生成物濃度，故答案為：升高溫度 或減小壓強或減小某一生成物濃度。

(3)實驗測得v正=k正c2(CH4)，v逆=k逆c(C2H4).c2(H2)，T1溫度時v正= v逆，此時氫氣濃度為1.6 mol/L，則甲烷濃度改變量為1.6 mol/L，乙烯改變量為0.8 mol/L，則甲烷平衡時濃度為0.4 mol/L，乙烯平衡時濃度為0.8 mol/L，，k正與K逆的比值為12.8。若將溫度由T1升高到T2，該反應(yīng)ΔH＞0，溫度升高，平衡向正反應(yīng)方向移動，V正>V逆，則反應(yīng)速率增大的倍數(shù)V正 >V逆，判斷的理由是該反應(yīng)ΔH＞0，溫度升高，平衡向正反應(yīng)方向移動，即V正 > V逆，也就是k正增大的倍數(shù)大于k逆，故答案為：＞；該反應(yīng)ΔH＞0，溫度升高，平衡向正反應(yīng)方向移動，即V正 > V逆，也就是k正增大的倍數(shù)大于k逆。

(4)①根據(jù)分析原電池中燃料甲烷作負(fù)極，氧氣作正極，連接正極的C極的Pt為陽極，故答案為：陽。

②原電池工作時負(fù)極為甲烷，其反應(yīng)方程式為CH4－8e－+4O2－= CO2+2H2O，故答案為：CH4－8e－+4O2－= CO2+2H2O。

③電解飽和食鹽水，生成氫氣和氧氣物質(zhì)的量相等，電解反應(yīng)方程式為2NaCl + 2H2O = 2NaOH + H2 ↑+ Cl2↑，一段時間后收集到標(biāo)況下氣體總體積為112 mL即0.005 mol氣體，根據(jù)方程式關(guān)系，陰極區(qū)所得溶液n(OH－)=0.005mol，，故答案為：0.01mol·L－1。