Question

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

化學鍵	H—H	C—H	C＝C	C—C
E(kJ/mol)	a	b	c	d

（1）已知相關化學鍵的鍵能如上表，甲烷制備乙烯反應的ΔH＝____________ (用含a、b、c、d的代數式表示)。

（2）T1溫度時，向1 L的恒容反應器中充入2mol CH4 ，僅發(fā)生上述反應，反應過程中 0～15min CH4的物質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CH4表示的反應速率為__________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”)。

③15min時，若改變外界反應條件，導致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逆為速率常數僅與溫度有關，T1溫度時k正與k逆的比值為______ (填數值)。若將溫度由T1升高到T2，則反應速率增大的倍數v正____v逆(填“>”“＝”或“<”)，判斷的理由是_________________ 。

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

①C極的Pt為______ 極(填“陽”或“陰” )。

②該電池工作時負極反應方程式為_____________________。

③用該電池電解飽和食鹽水，一段時間后收集到標況下氣體總體積為112mL，則陰極區(qū)所得溶液在25℃時pH＝_______ (假設電解前后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正增大的倍數大于k逆 陽 CH4-8e-+4O2-=CO2+2H2O 12

【解析】

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

(2)①根據v=計算；

②催化劑表面積越大反應速率越快；

③15min時，若改變外界反應條件，導致n(CH4)發(fā)生圖中所示變化，物質的量隨時間變化減小，說明平衡正向進行；

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

(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原電池負極電極反應是甲烷失電子生成二氧化碳，傳導離子是氧離子，結合電荷守恒、原子守恒寫出電極反應；

③結合電極反應計算溶液中氫離子濃度減少得到增加的氫氧根離子濃度，結合離子積常數計算得到氫離子濃度計算溶液PH。

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

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

②若圖1中曲線a、曲線b分別表示在溫度T1時，使用質量相同但表面積不同的催化劑時，達到平衡過程中n (CH4)的變化曲線，催化劑表面積越大反應速率越快，達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，若改變外界反應條件，導致n( CH4)發(fā)生圖中所示變化，物質的量隨時間變化減小，說明平衡正向進行，反應為氣體體積增大的吸熱反應，升高溫度或減小壓強，平衡正向進行，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逆為速率常數僅與溫度有關，溫度不變平衡常數不變，反應達到平衡狀態(tài)時，正逆反應速率相同得到，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，反應為放熱反應，升溫平衡正向進行，正逆反應速率增大，正反應增大的倍數大于逆反應增大的倍數，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原電池負極電極反應是甲烷失電子生成二氧化碳，傳導離子是氧離子，該電池工作時負極反應方程式為：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況下氣體總體積為112 mL，物質的量n==0.005mol，為生成的氫氣和氯氣，n(H2)=n(Cl2)=0.0025mol，結合電極反應計算，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，結合離子積常數計算得到氫離子濃度=mol/L=10-12mol/L，計算溶液pH=12。