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)。

(1)T1溫度時，向1 L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,測得10-15 min時H2的濃度為1.6 mol/L。

①0~ 10 min內CH4表示的反應速率為____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,則陰極區所得溶液在25 0C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 ＞ 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）ΔH=反應物總鍵能-生成物總鍵能；

（2）①根據v=Δc/Δt，同一反應，各物質速率比等于化學計量數之比分析作答；

②催化劑能加快反應速率，催化劑表面積越大，催化效果越好；

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

（3）達到平衡時正逆反應速率相等，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K計算出來即可解答。該反應為吸熱反應，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，連接電源負極的為陰極；

②根據圖示，燃料電池的負極是甲烷生成H2O和CO2的反應；

③電解飽和食鹽水的離子方程式為，再根據氣體和OH-的比例關系計算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，改變外界反應條件，導致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，答案：升高溫度或減小壓強；

（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，該反應的平衡常數，且達到平衡時有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。該反應為吸熱反應，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正增大的倍數大于k逆；

（4）①甲烷燃料電池，通燃料一極為負極，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根據圖示，燃料電池的負極是甲烷生成H2O和CO2的反應，所以電極反應為CH4－8e－+4O2－=CO2+2H2O，答案：CH4－8e－+4O2－=CO2+2H2O；

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