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) ΔH>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上表，甲烷制备乙烯反应的ΔH=_____________ (用含a.b.c.d的代数式表示)。

(1)T1温度时，向1 L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,测得10-15 min时H2的浓度为1.6 mol/L。

①0~ 10 min内CH4表示的反应速率为____mol/(Lmin) o

②若图中曲线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)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,则阴极区所得溶液在25 0C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 ＞ 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）ΔH=反应物总键能-生成物总键能；

（2）①根据v=Δc/Δt，同一反应，各物质速率比等于化学计量数之比分析作答；

②催化剂能加快反应速率，催化剂表面积越大，催化效果越好；

③反应为吸热反应，升高温度平衡向正反应方向进行，n(CH4)减小；反应物气体体积小于生成物，减小压强，平衡向正反应方向进行，n(CH4)减小；

（3）达到平衡时正逆反应速率相等，有v正=v逆，即k正c2(CH4)=k逆c(C2H4).c2(H2)，则k正/k逆=c(C2H4)·c2(H2)/c2(CH4)=K，利用三段式把平衡常数K计算出来即可解答。该反应为吸热反应，升高温度，平衡正向移动；

（4）①对于燃料电池，通燃料一极为负极，通氧气一极为正极；对于电解池，连接电源正极的为阳极，连接电源负极的为阴极；

②根据图示，燃料电池的负极是甲烷生成H2O和CO2的反应；

③电解饱和食盐水的离子方程式为，再根据气体和OH-的比例关系计算OH-的浓度，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催化剂表面积越大，催化效果越好，速率越快，达到平衡所需的时间越短，所以曲线b的催化剂表面积较大，答案：b；

③15 min时，改变外界反应条件，导致n(CH4)减小，说明平衡向消耗CH4的方向移动，所以改变的条件可能是升高温度或减小压强，答案：升高温度或减小压强；

（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温度时，该反应的平衡常数，且达到平衡时有v正=v逆，即k正c2(CH4)=k逆c(C2H4).c2(H2)，则k正/k逆=c(C2H4).c2(H2)/c2(CH4)=K=12.8。该反应为吸热反应，所以升高温度，平衡正向移动，v正＞v逆。答案：12.8；＞；温度升高，k正增大的倍数大于k逆；

（4）①甲烷燃料电池，通燃料一极为负极，通氧气一极为正极，所以C极为电解池的阳极，D极为电解池的阴极；答案：阳；

②根据图示，燃料电池的负极是甲烷生成H2O和CO2的反应，所以电极反应为CH4－8e－+4O2－=CO2+2H2O，答案：CH4－8e－+4O2－=CO2+2H2O；

p>③根据离子方程式可知，电解一段时间后，共收集到标准状况下气体112mL，则所得溶液的，，pH＝12；答案：12。