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)。

(1)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,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(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”)。

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(選填“〉”、“=”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)所得溶液在25 0C時pH=_______ (假設(shè)電解前后NaCl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(qiáng) 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）ΔH=反應(yīng)物總鍵能-生成物總鍵能；

（2）①根據(jù)v=Δc/Δt，同一反應(yīng)，各物質(zhì)速率比等于化學(xué)計量數(shù)之比分析作答；

②催化劑能加快反應(yīng)速率，催化劑表面積越大，催化效果越好；

③反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，升高溫度平衡向正反應(yīng)方向進(jìn)行，n(CH4)減小；反應(yīng)物氣體體積小于生成物，減小壓強(qiáng)，平衡向正反應(yīng)方向進(jìn)行，n(CH4)減小；

（3）達(dá)到平衡時正逆反應(yīng)速率相等，有v正=v逆，即k正c2(CH4)=k逆c(C2H4).c2(H2)，則k正/k逆=c(C2H4)·c2(H2)/c2(CH4)=K，利用三段式把平衡常數(shù)K計算出來即可解答。該反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，升高溫度，平衡正向移動；

（4）①對于燃料電池，通燃料一極為負(fù)極，通氧氣一極為正極；對于電解池，連接電源正極的為陽極，連接電源負(fù)極的為陰極；

②根據(jù)圖示，燃料電池的負(fù)極是甲烷生成H2O和CO2的反應(yīng)；

③電解飽和食鹽水的離子方程式為，再根據(jù)氣體和OH-的比例關(guān)系計算OH-的濃度，再算出pH。

（1）ΔH=[2×4b-（c+4b）-2a]kJmoL-1=+(4b-c-2a) kJmoL-1，答案：+ (4b-c-2a)kJmoL-1；

（2）①，v(H2)=v(CH4)=0.16mol/(L·min)，答案：0.16；

②催化劑表面積越大，催化效果越好，速率越快，達(dá)到平衡所需的時間越短，所以曲線b的催化劑表面積較大，答案：b；

③15 min時，改變外界反應(yīng)條件，導(dǎo)致n(CH4)減小，說明平衡向消耗CH4的方向移動，所以改變的條件可能是升高溫度或減小壓強(qiáng)，答案：升高溫度或減小壓強(qiáng)；

（3） 2CH4(g)C2H4(g) +2H2(g)

c始（mol/L） 2 0 0

Δc（mol/L）1.6 0.8 1.6

c末（mol/L） 0.4 0.8 1.6

T1溫度時，該反應(yīng)的平衡常數(shù)，且達(dá)到平衡時有v正=v逆，即k正c2(CH4)=k逆c(C2H4).c2(H2)，則k正/k逆=c(C2H4).c2(H2)/c2(CH4)=K=12.8。該反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，所以升高溫度，平衡正向移動，v正＞v逆。答案：12.8；＞；溫度升高，k正增大的倍數(shù)大于k逆；

（4）①甲烷燃料電池，通燃料一極為負(fù)極，通氧氣一極為正極，所以C極為電解池的陽極，D極為電解池的陰極；答案：陽；

②根據(jù)圖示，燃料電池的負(fù)極是甲烷生成H2O和CO2的反應(yīng)，所以電極反應(yīng)為CH4－8e－+4O2－=CO2+2H2O，答案：CH4－8e－+4O2－=CO2+2H2O；

p>③根據(jù)離子方程式可知，電解一段時間后，共收集到標(biāo)準(zhǔn)狀況下氣體112mL，則所得溶液的，，pH＝12；答案：12。