Question

3．石油化工生产中，通过裂解可获得化工产品如乙烯、丙烯等．在2L恒温密闭容器中投入10mol丁烷（C₄H₁₀），在一定条件下发生反应：（C₄H₁₀（g）?C₂H₄（g）+C₂H₆（g）．测得体系中乙烯的物质的量与时间关系如图Ⅰ所示：

（1）能判断反应达到化学平衡状态的是b（填字母）．
a．c（C₂H₆）与c（C₂H₄）的比值保持不变
b．容器中气体压强保持不变
c．容器中气体密度保持不变
d．单位时间内有1molC₄H₁₀消耗的同时有1molC₂H₄生成
（2）相对于曲线b，曲线a改变的条件是加入催化剂，判断的理由是速率加快但平衡没有移动．
（3）若图中b、c表示其它条件不变，改变温度时n（C₂H₄）随时间的变化曲线，可以判断该反应的正反应是吸热（填“放热”或“吸热”反应）．
（4）在曲线b对应的条件下，反应进行0～20min区间内的速率v（C₂H₆）=0.05mol•L^-1•min^-1．
（5）将C₂H₆和O₂设计成如图Ⅱ电化学装置，若c、d均用铜电极，a极的电极反应式为C₂H₆-14e^-+18OH^-=2CO₃^2-+12H₂O；c极的电极反应式为Cu-2e^-=Cu²⁺．

Answer 1

分析 （1）根据化学平衡状态特征判断分析，达到平衡时，一是等，二是定：
等是指v正=v逆，同一种物质：该物质的生成速率等于它的消耗速率；不同的物质：速率之比等于方程式中各物质的计量数之比，但必须是不同方向的速率；
定是指各成分含量保持不变：各组成成分的质量、物质的量、分子数、体积（气体）、物质的量浓度均保持不变；各组成成分的质量分数、物质的量分数、气体的体积分数均保持不变；若反应前后的物质都是气体，且总体积不等，则气体的总物质的量、总压强（恒温、恒容）、平均摩尔质量、混合气体的密度（恒温、恒压）均保持不变；
（2）相对于曲线b，曲线a的斜率更大，但是最终C₂H₄的物质的量与曲线b相同，说明a的反应速率更大，只缩短了达平衡的时间，根据影响化学反应速率和化学平衡的条件进行分析；
（3）由图可知：c曲线的斜率更小，达平衡时，C₂H₄的物质的量减少；所以c曲线的反应速率更慢，其它条件不变，改变温度，速率减慢，则说明改变的条件是降温，再结合降温对平衡的影响进行分析；
（4）0～20min生成C₂H₄的物质的量为2mol，根据方程式可知生成C₂H₆的物质的量也是2mol，则C₂H₆的浓度变化量为$\frac{2mol}{2L}$=1mol•L^-1，再根据v（C₂H₆）=$\frac{△C（{C}_{2}{H}_{6}）}{△t}$计算反应速率；
（5）燃料电池的负极充入燃料，发生氧化反应，则a为负极；正极充入氧气，发生还原反应，则b为正极；再考虑电解质溶液参加反应写出a电极反应式；c与b相连，与正极相连的是电解池的阳极，阳极发生氧化反应，则铜失去电子生成铜离子，由此写出c极电极反应式．

解答 解：（1）a．达平衡时各物质的量浓度是保持不变，不一定成比例，所以c（C₂H₆）与c（C₂H₄）的比值保持不变不一定在平衡，故a错误；
b．由反应C₄H₁₀（g）?C₂H₄（g）+C₂H₆（g）可知，恒容的容器中气体总物质的量随反应的进行而增大，容器中气体的压强逐渐增大，当容器中气体压强保持不变，说明气体总物质的量保持不变，则达到平衡状态，故b正确；
c．容器的体积一直不变，根据质量守恒，气体的总质量不变，所以气体的密度始终不变，故容器中气体密度保持不变不能说明达到平衡，故c错误；
d．单位时间内有1molC₄H₁₀消耗的方向是正方向，同时有1molC₂H₄生成也是正方向，方向相同，不能说明v正=v逆，不一定达平衡，故d错误；
故答案为：b；
（2）相对于曲线b，曲线a的斜率更大，但是最终C₂H₄的物质的量与曲线b相同，说明a的反应速率更大，只缩短了达平衡的时间，平衡没有移动，即没有改变化学平衡状态，所以改变的条件应是加入催化剂，
故答案为：加入催化剂，速率加快但平衡没有移动；
（3）由图可知：c曲线的斜率更小，达平衡时，C₂H₄的物质的量减少；所以c曲线的反应速率更慢，其它条件不变，改变温度，速率减慢，则改变的条件是降温，
由方程式C₄H₁₀（g）?C₂H₄（g）+C₂H₆（g）可知，降温的同时C₂H₄的物质的量在减少，说明平衡向逆方向移动，即逆方向是一个放热反应，正方向为吸热反应，
故答案为：吸热；
（4）0～20min生成C₂H₄的物质的量为2mol，根据方程式可知生成C₂H₆的物质的量也是2mol，则C₂H₆的浓度变化量为$\frac{2mol}{2L}$=1mol•L^-1，
v（C₂H₆）=$\frac{△C（{C}_{2}{H}_{6}）}{△t}$=$\frac{1mol•{L}^{-1}}{20min}$=0.05mol•L^-1•min^-1，
故答案为：0.05mol•L^-1•min^-1；
（5）燃料电池的负极充入燃料C₂H₆，C₂H₆发生氧化反应，则a为负极；C₂H₆失去电子生成二氧化碳，二氧化碳与电解质溶液氢氧化钾反应生成碳酸钾，根据电荷守恒写出负极的电极反应式为：C₂H₆-14e^-+18OH^-=2CO₃^2-+12H₂O；正极充入氧气，发生还原反应，则b为正极；c与b相连，与正极相连的是电解池的阳极，阳极发生氧化反应，则铜失去电子生成铜离子，由此写出c极电极反应式：Cu-2e^-=Cu²⁺，
故答案为：C₂H₆-14e^-+18OH^-=2CO₃^2-+12H₂O；Cu-2e^-=Cu²⁺．

点评 本题考查化学平衡状态标志的判断，以及影响化学反应速率、化学平衡移动的条件，注意对图象题的理解，还考查化学反应速率的计算，比较简单，原电池与电解池的结合考查，难度适中．