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) △H >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表，甲烷制備乙烯反應的△H =______(用含a.b.c.d的代數式表示)。

（2）T1溫度時，向1L的恒容反應器中充入2 molCH4，僅發生上述反應，反應過程中0~15 min CH4的物質的量隨時間變化如圖1,測得10-15 min時H2的濃度為1.6molL-1

①0~10min內CH4表示的反應速率為____mol/(Lmin) o

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，其中表示催化劑表面積較大的曲線是____(填“a”或 “b”)。

③15 min時,若改變外界反應條件,導致n( CH4)發生圖中所示變化，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(選填“>”、“＜”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(選填“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112 mL,則電解后所得溶液在25℃時pH=_____(假設電解前后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 12.8 ＞ △H >0，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）焓變=反應物的總鍵能－生成物的總鍵能；

（2）①；②催化劑表面積越大，反應速率越快；③15 min時,改變外界反應條件導致n( CH4)減小，說明平衡正向移動；

（3）利用 “三段式”計算T1溫度，平衡時各物質的量的濃度，帶入v正=K正c2(CH4)，v逆=K逆c(C2H4)c2(H2)計算速率，再根據平衡時正逆反應速率相等計算k正與K逆的比值；根據升高溫度后平衡移動方向分析升溫后V正、V逆的相對大小；

（4）甲烷燃料電池，通入氧氣的一極為正極、通入甲烷的一極為負極，負極是甲烷失電子生成二氧化碳和水；電解池的C極與電源的正極相連，C是陽極、D是陰極。

（1）焓變=反應物的總鍵能－生成物的總鍵能，2CH4(g)C2H4(g) +2H2(g) △H=8b－c －4b－2a＝+(4b-c-2a) kJmoL-1；

（2）①10-15 min時H2的濃度為1.6molL-1，根據反應方程式，甲烷的濃度變化為1.6molL-1， 0~10min內CH4表示的反應速率=0.16 mol/(Lmin)；

②催化劑表面積越大，反應速率越快，表示催化劑表面積較大的曲線是b；

③2CH4(g)C2H4(g) +2H2(g)正反應吸熱、氣體物質的量增多，所以升高溫度或減小壓強，平衡正向移動， n( CH4)減小，故15 min時，改變外界反應條件可能是升高溫度或減小壓強。

（3）2CH4(g)C2H4(g) +2H2(g)

開始 2 0 0

轉化 1.6 0.8 1.6

平衡 0.4 0.8 1.6

v正=K正c2(CH4)= K正(0.4)2，v逆=K逆c(C2H4)c2(H2)= K逆0.8×(1.6)2，平衡時正逆反應速率相等，即K正(0.4)2= K逆0.8×(1.6)2，k正與K逆的比值為12.8；該反應△H >0，溫度升高，平衡正向移動，所以k正增大的倍數大于k逆；

（4）①電解池的C極與電源的正極相連，C極的Pt為陽極。

②通入甲烷的一極為負極，負極是甲烷失電子生成二氧化碳和水，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，電解方程式是2NaCl+2H2O 2NaOH+H2+Cl2,生成氣體的物質的量是 ，則生成氫氧化鈉xmol；

2NaCl+2H2O 2NaOH+ H2+Cl2

2 2

x 0.005

x=0.005mol，c(OH-)= ，則25℃時，電解后所得溶液在pH=12。