Question

【题目】中科院一项最新成果实现了甲烷高效生产乙烯，甲烷在催化作用下脱氢,在气相中经自由基偶联反应生成乙烯，其反应如下：2CH4(g)C2H4(g) +2H2(g) △H >0

化学键	H—H	C—H	C = C	C—C
E(kJ / mol)	a	b	c	d

（1）已知相关化学键的键能如表，甲烷制备乙烯反应的△H =______(用含a.b.c.d的代数式表示)。

（2）T1温度时，向1L的恒容反应器中充入2 molCH4，仅发生上述反应，反应过程中0~15 min CH4的物质的量随时间变化如图1,测得10-15 min时H2的浓度为1.6molL-1

①0~10min内CH4表示的反应速率为____mol/(Lmin) o

②若图1中曲线a、曲线b分别表示在温度T1时，使用质量相同但表面积不同的催化剂时，达到平衡过程中n (CH4)的变化曲线，其中表示催化剂表面积较大的曲线是____(填“a”或 “b”)。

③15 min时,若改变外界反应条件,导致n( CH4)发生图中所示变化，则改变的条件可能是________(任答一条即可)。

（3）实验测得：v正=K正c2(CH4)，v逆=K逆c(C2H4)c2(H2)，其中K正、K逆为速率常数仅与温度有关，T1温度时k正与K逆的比值为____(填数值)。若将温度由T1升高到T2,则反应速率增大的倍数V正____V逆(选填“>”、“＜”或“=”)；判断的理由是__________

（4）科研人员设计了甲烷燃料电池并用于电解。如图2所示，电解质是掺杂了Y2O3与ZrO2的固体，可在高温下传导O2-

①C极的Pt为_____极(选填“阳”或“阴” )。

②该电池工作时负极反应方程式为_______。

③用该电池电解饱和食盐水，一段时间后收集到标况下气体总体积为112 mL,则电解后所得溶液在25℃时pH=_____(假设电解前后NaCl溶液的体积均为500 mL)。

Answer 1

【答案】+(4b-c-2a) kJmoL-1 0.16 b 升高温度或减小压强 12.8 ＞ △H >0，温度升高，k正增大的倍数大于k逆 阳 CH4－8e－+4O2－=CO2+2H2O 12

【解析】

（1）焓变=反应物的总键能－生成物的总键能；

（2）①；②催化剂表面积越大，反应速率越快；③15 min时,改变外界反应条件导致n( CH4)减小，说明平衡正向移动；

（3）利用 “三段式”计算T1温度，平衡时各物质的量的浓度，带入v正=K正c2(CH4)，v逆=K逆c(C2H4)c2(H2)计算速率，再根据平衡时正逆反应速率相等计算k正与K逆的比值；根据升高温度后平衡移动方向分析升温后V正、V逆的相对大小；

（4）甲烷燃料电池，通入氧气的一极为正极、通入甲烷的一极为负极，负极是甲烷失电子生成二氧化碳和水；电解池的C极与电源的正极相连，C是阳极、D是阴极。

（1）焓变=反应物的总键能－生成物的总键能，2CH4(g)C2H4(g) +2H2(g) △H=8b－c －4b－2a＝+(4b-c-2a) kJmoL-1；

（2）①10-15 min时H2的浓度为1.6molL-1，根据反应方程式，甲烷的浓度变化为1.6molL-1， 0~10min内CH4表示的反应速率=0.16 mol/(Lmin)；

②催化剂表面积越大，反应速率越快，表示催化剂表面积较大的曲线是b；

③2CH4(g)C2H4(g) +2H2(g)正反应吸热、气体物质的量增多，所以升高温度或减小压强，平衡正向移动， n( CH4)减小，故15 min时，改变外界反应条件可能是升高温度或减小压强。

（3）2CH4(g)C2H4(g) +2H2(g)

开始 2 0 0

转化 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，平衡时正逆反应速率相等，即K正(0.4)2= K逆0.8×(1.6)2，k正与K逆的比值为12.8；该反应△H >0，温度升高，平衡正向移动，所以k正增大的倍数大于k逆；

（4）①电解池的C极与电源的正极相连，C极的Pt为阳极。

②通入甲烷的一极为负极，负极是甲烷失电子生成二氧化碳和水，负极反应方程式为CH4－8e－+4O2－=CO2+2H2O。

③用该电池电解饱和食盐水，电解方程式是2NaCl+2H2O 2NaOH+H2+Cl2,生成气体的物质的量是 ，则生成氢氧化钠xmol；

2NaCl+2H2O 2NaOH+ H2+Cl2

2 2

x 0.005

x=0.005mol，c(OH-)= ，则25℃时，电解后所得溶液在pH=12。