Question

工业上CO₂、CH₄等含碳化合物有着重要的应用。

（1）科学家以CH₄为原料来制备乙烯，同时得到氢气。已知相关物质的标准燃烧热如下表所示，写出甲烷制备乙烯的热化学方程式：__。

物质	标准燃烧热/kJ·mol^-1
氢气	-285.8
甲烷	-890.3
乙烯	-1411.0

（2）在400℃时，向初始体积为1L的恒容密闭反应器中充入1molCH₄，发生上述反应，测得平衡混合气体中C₂H₄的体积分数为20.0%。

①该温度下，平衡常数K=__。

②若向该平衡体系中充入等物质的量的CH₄和H₂，则平衡将___（填“正向移动”或“逆向移动”或“不移动”成“无法确定”），理由是__。

（3）科学家用氮化镓材料与铜组装成如图所示的人工光合系统实现CO₂的再利用。

①该电化学装置属于__（填“原电池”或“电解池”）。

②该电池的Cu电极上发生反应的电极方程式为__。

Answer

2CH4(g)C2H4(g)+2H2(g) ΔH=+202.0kJ·mol-1 0.25 不移动 反应平衡常数的表达式为K=，上述平衡体系中c(CH4)=c(H2)，充入等物质的量的甲烷和氢气，两者浓度仍然相等，故Qc=K，平衡不移动 原电池 CO2+8e-+8H+=CH4+2H2O

【解析】

（1）按相关物质的标准燃烧热写热化学方程式、运用盖斯定律可写出甲烷制备乙烯的热化学方程式；

（2）按照初始体积为1L的恒容密闭反应器中充入1molCH4、平衡混合气体中C2H4的体积分数为20.0%；

①通过三段式计算该温度下的平衡常数K；

②若向该平衡体系中充入等物质的量的CH4和H2，通过浓度商与平衡常数的大小，判断；

（3）结合图示信息回答；

①该电化学装置原电池；

②Cu电极上CO2转化为CH4，可据此写电极方程式为；

（1）已知：①②③甲烷制备乙烯的化学方程式为：2CH4(g)C2H4(g)+2H2(g)，反应可由②×2−③−①×2得到，根据盖斯定律，反应的焓变为ΔH =2ΔH 2−ΔH 3−2ΔH 1=+202.5kJ/mol；

答案为：2CH4(g)C2H4(g)+2H2(g) ΔH=+202.0kJ·mol-1；

（2）按照初始体积为1L的恒容密闭反应器中充入1molCH4、平衡混合气体中C2H4的体积分数为20.0%；

①；

答案为：0.25；

②由上计算可知，平衡体系中c(CH4)=c(H2)=0.5mol/L，若向该平衡体系中充入等物质的量的CH4和H2，则c(CH4)和c(H2)仍然相等，可计算浓度商，Qc==K，则平衡不移动；

答案为：不移动；反应平衡常数的表达式为K=，上述平衡体系中c(CH4)=c(H2)，充入等物质的量的甲烷和氢气，两者浓度仍然相等，Qc=K，故平衡不移动；

（3）①结合图示信息该装置没有外接电源，该电化学装置为原电池；

答案为：原电池；

②电池的Cu电极上CO2转变成CH4，是还原反应，据此可写电极方程式为CO2+8e-+8H+=CH4；

答案为：CO2+8e-+8H+=CH4+2H2O。