Question

CH₄是重要的清洁能源和化工原料,CH₄和CO₂都是产生温室效应的主要气体，且前者影响更大。

（1）二氧化碳的电子式为______________。

（2）25℃、101Kpa下，1g CH₄完全燃烧生成液态水和CO₂放热55.64kJ,则表示CH₄燃烧热的热化学方程式为：__________________________________。

（3）CH₄和CO₂反应可以生成价值更高的化工产品，在250℃、以镍合金为催化剂，向2L密闭容器中通入4mol CH₄和6mol CO₂发生反应如下：CH₄(g)+CO₂(g)2CO(g)+2H₂(g)。平衡时甲烷的物质的量为1mol。

①计算此温度下，该反应的平衡常数K=_________mol²/L²。

②下列各项不能说明该反应处于平衡状态的是_________。

A.容器中的压强恒定               B CH₄的转化率恒定

C.容器中气体的密度恒定           D. CH₄与CO物质的量之比恒定 

（4）甲烷-空气碱性（KOH为电解质）燃料电池的负极反应式为_________________。相同条件下甲烷燃料电池与氢气燃料电池的能量密度之比为________。（能量密度之比等于单位质量可燃物完全反应转移的电子数之比）

（5）科学家以CO₂和H₂为原料合成乙烯，6H₂(g)+2CO₂(g)CH₂=CH₂(g)+4H₂0(g)，已知温度对CO₂平衡转化率和催化剂催化效果的影响如图所示，请回答下列问题：

①生成乙烯的速率：v（M）有可能大于v（N），其理由是_________________。

②若投料比n（H₂）：n（CO₂）=4：1，则图中M点时，C₂H₄的体积分数为_______％。

③若想提高C₂H₄的产率，可采取的措施有___________________。

Answer

CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(l) ∆H=-890.24kJ·mol-1 108(mol·L-1)2 C CH4-8e-+10OH-=CO32-+7H2O 1:2 随温度升高，催化剂的催化效率（或活性）降低 5.88 低温 高压 及时移走生成物

【解析】

(1)二氧化碳分子中存在两个碳氧双键，其电子式为；

(2)1g CH4完全燃烧生成液态水和CO2气体，放出55.64kJ的热量，则1mol即16g CH4完全燃烧生成液态水和CO2气体，16×55.64kJ=890.24kJ，则甲烷燃烧热的热化学方程式为：CH4(g)+2O2(g)═CO2(g)+2H2O(l)△H=-890.24kJ•mol-1；

(3)①向2L密闭容器中通入4mol CH4和6mol CO2发生反应如下：CH4(g)+CO2(g)⇌2CO(g)+2H2(g)。平衡时甲烷的物质的量为1mol，列三段式：

平衡常数K=(mol•L-1)2=108(mol•L-1)2；

 ②A．反应前后气体体积变化，容器中的压强恒定说明反应达到平衡状态，故A不选；

B. CH4的转化率恒定是平衡标志，故B不选；

C.反应前后气体质量和体积不变，容器中气体的密度始终恒定，不能说明反应达到平衡状态，故C选；

D．CH4与CO反应的物质的量之比1：2，CH4与CO物质的量之比恒定，能说明正逆反应速率相同，故D不选；

故答案为C；

(4)甲烷-空气碱性(KOH为电解质)燃料电池负极甲烷失电子发生氧化反应，电解质为碱性，所以生成碳酸盐，负极反应式为CH4-8e一+10OH-=CO32-+7H2O；

设甲烷和氢气质量为16g，则根据电极反应计算电子转移总数可得到能量密度之比，根据方程式CH4-8e一+10OH-=CO32-+7H2O，16g甲烷燃烧电子转移8mol，根据方程式H2-2e-=2H+，16g氢气物质的量8mol，电子转移16mol，所以相同条件下，甲烷燃料电池与氢气燃料电池的能量密度之比为8：16=1：2；

(5)①化学反应速率随温度的升高而加快，但温度过高催化剂的催化效率降低，所以v(M)有可能大于v(N)；

 ②设开始投料n(H2)为4mol，则n(CO2)为1mol，在M点平衡时二氧化碳的转化率为50%，则转化的n(CO2)=0.5mol，剩余的n(CO2)=0.5mol，根据方程式6H2(g)+2CO2(g)CH2=CH2(g)+4H2O(g)，可知转化的n(H2)=1.5mol，剩余的n(H2)=2.5mol，生成的n(CH2=CH2)=0.25mol，生成的n(H2O)=1mol，所以氢气的体积分数为×100%=5.88%；

③温度升高二氧化碳转化率降低，说明正反应为放热反应，故降低温度可使平衡右移增大乙烯产率；该反应为压强减小的反应，故增大压强可使平衡右移增大乙烯产率；及时移走生成物也可使平衡右移增大乙烯产率。