Question

【題目】中科院一項新研究成果實現(xiàn)了甲烷高效生產乙烯，其反應為：2CH4(g)C2H4(g)+2H2(g) ΔH＞0

物質	燃燒熱(kJ/mol)
氫氣	285.8
甲烷	890.3
乙烯	1411.5

(1)已知相關物質的燃燒熱如表，完成熱化學方程式：2CH4(g)C2H4(g)+2H2(g) ΔH=__。

(2)溫度為T1℃時，向1 L的恒容反應器中充入2 mol CH4，僅發(fā)生上述反應，反應0～15 min CH4的物質的量隨時間變化如圖1，實驗測得10～15 min時H2的濃度為1.6 mol/L。

①若圖1中曲線a、b分別表示在T1℃時，使用等質量的兩種不同的催化劑時，達到平衡過程中n(CH4)變化曲線，判斷：催化劑a_____b（填“優(yōu)于”或“劣于”）。

②在15 min時改變反應條件，導致n(CH4)發(fā)生變化(見圖1)，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(shù)僅與溫度有關，溫度為時，k正與k逆的比值為______(填數(shù)值)。若將溫度由T1升高到T2，則反應速率增大的倍數(shù)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)。電解質是摻雜了Y2O3與ZrO2的固體，可在高溫下傳導O2-。

①圖中C處的Pt為_______(填“陰”或“陽”)極。

②該電池工作時負極的電極反應式為________。

③用該電池電解飽和食鹽水，一段時間后收集到標準狀況下氣體總體積為112 mL，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500 mL）。

Answer 1

【答案】+202.5 kJ/mol 劣于 升高溫度或減小壓強 12.8 ＞ 升高溫度，正、逆反應速率都加快，平衡正向移動，v(正)＞v(逆)，說明正反應速率增大的倍數(shù)多于逆反應速率增大的倍數(shù) 陽 CH4-8e-+4O2-=CO2+2H2O 12

【解析】

(1)根據(jù)已知條件，可得熱化學方程式：

①H2(g)+O2(g)=H2O(l) ；ΔH=-285.8 kJ/mol；

②CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(l)； ΔH=-890.3 kJ/mol；

③C2H4(g)+3O2(g)=2CO2(g)+2H2O(l) ；ΔH=-1411.5kJ/mol；

根據(jù)蓋斯定律，將②×2-①×2-③，整理可得：2CH4(g)C2H4(g)+2H2(g) ΔH=+202.5 kJ/mol；

(2)①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，可知：b催化劑表面積大,反應速率越快，達到平衡所需時間越短，先達到平衡，該催化劑性能好，b先達到平衡，說明催化劑a劣于催化劑b；

②15 min時，若改變外界反應條件，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，正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，故改變的條件是升高溫度或減小壓強；

(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(shù)僅與溫度有關，溫度不變平衡常數(shù)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正c2(CH4)=k逆c(C2H4)·c2(H2)， ，對于反應2CH4(g)C2H4(g)+2H2(g) ，反應開始時n(CH4)=2 mol，n(C2H4)=n(H2)=0，反應達到平衡時，H2的濃度為1.6 mol/L，由于容器的容積是1 L，所以平衡時氣體的物質的量與濃度數(shù)值相等，各種物質的平衡濃度分別是：c(CH4)=(2 -1.6)mol/L=0.4 mol/L，n(C2H4)=0.8 mol/L，n(H2)=1.6 mol/L，因此平衡時K= mol/L=12.8 mol/L，即=12.8 mol/L；升高溫度，正、逆反應速率都加快。由于該反應的正反應為吸熱反應，根據(jù)平衡移動原理：升高溫度，平衡向吸熱反應方向移動，說明正反應速率增大的倍數(shù)大于逆反應速率增大的倍數(shù)，速率增大后，由于v(正)＞v(逆)，使化學平衡正向移動；

(4)①甲烷燃料電池中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，C極與原電池的正極連接為陽極；

②在原電池負極，CH4失去電子生成CO2，傳導離子是O2-，結合電荷守恒、原子守恒，可得負極的電極反應式：CH4-8e-+4O2-=CO2+2H2O；

③n(H2+Cl2)==0.005 mol，根據(jù)電解反應方程式：2NaCl+2H2OCl2↑+H2↑+2NaOH，可知每反應產生2 mol氣體，同時在陰極得到2 mol NaOH，現(xiàn)在反應產生0.005 mol氣體，因此反應產生了0.005 mol NaOH，由于溶液的體積是0.5 L，則陰極附近溶液中c(NaOH)==0.01 mol/L，在室溫下水的離子積常數(shù)Kw=10-14(mol/L)2，c(H+)= mol/L=10-12 mol/L，所以溶液的pH=12。