Question

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)。

（2）T₁温度时，向1 L的恒容反应器中充入2mol CH₄ ，仅发生上述反应，反应过程中 0～15min CH₄的物质的量随时间变化如图1，测得10～15min时H₂的浓度为1.6mol/L。

①0～10min内CH₄表示的反应速率为__________mol/(L·min)。

②若图1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”)。

③15min时，若改变外界反应条件，导致n(CH₄)发生图1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(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2所示，电解质是掺杂了 Y₂O₃与 ZrO₂的固体，可在高温下传导O^2－。

①C极的Pt为______ 极(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112mL，则阴极区所得溶液在25℃时pH＝_______ (假设电解前后NaCl溶液的体积均为500mL)。

Answer

+(4b-c-2a) kJ/mol 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)2CH4(g)⇌C2H4(g)+2H2(g)△H＞0，反应为吸热反应，焓变为正值，反应焓变△H=反应物总键能-生成物总键能；

(2)①根据v=计算；

②催化剂表面积越大反应速率越快；

③15min时，若改变外界反应条件，导致n(CH4)发生图中所示变化，物质的量随时间变化减小，说明平衡正向进行；

(3)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，温度不变平衡常数不变，反应达到平衡状态时，正逆反应速率相同得到T1温度时k正与k逆的比值等于K，反应为放热反应，升温平衡正向进行；

(4)甲烷燃料电池并用于电解，通入甲烷的电极为原电池负极，通入氧气的电极为原电池的正极，D电极为阴极，C为阳极，

①C电极为电解池的阳极；

②原电池负极电极反应是甲烷失电子生成二氧化碳，传导离子是氧离子，结合电荷守恒、原子守恒写出电极反应；

③结合电极反应计算溶液中氢离子浓度减少得到增加的氢氧根离子浓度，结合离子积常数计算得到氢离子浓度计算溶液PH。

(1)2CH4(g)⇌C2H4(g)+2H2(g)△H＞0，反应为吸热反应，焓变为正值，反应焓变△H=反应物总键能-生成物总键能=(8b-c-4b-2a)kJ/mol=+(4b-c-2a) kJ/moL；

(2)①T1温度时，向1L的恒容反应器中充入2mol CH4，仅发生上述反应，测得10-15min时H2的浓度为1.6mol/L，物质的量为1.6mol，反应达到平衡状态，此时消耗甲烷物质的量1.6mol，0～10min内CH4表示的反应速率v===0.16mol/(L•min)；

②若图1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)的变化曲线，催化剂表面积越大反应速率越快，达到平衡所需时间越短，其中表示催化剂表面积较大的曲线是b，故答案为：b；

③15min时，若改变外界反应条件，导致n( CH4)发生图中所示变化，物质的量随时间变化减小，说明平衡正向进行，反应为气体体积增大的吸热反应，升高温度或减小压强，平衡正向进行，符合图象变化；

(3)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，温度不变平衡常数不变，反应达到平衡状态时，正逆反应速率相同得到，T1温度时k正与k逆的比值=K，测得10-15 min时H2的浓度为1.6mol/L，

K==12.8，反应为放热反应，升温平衡正向进行，正逆反应速率增大，正反应增大的倍数大于逆反应增大的倍数，v正＞v逆；

(4)①甲烷燃料电池并用于电解，通入甲烷的电极为原电池负极，通入氧气的电极为原电池的正极，D电极为阴极，C为阳极；

②原电池负极电极反应是甲烷失电子生成二氧化碳，传导离子是氧离子，该电池工作时负极反应方程式为：CH4-8e-+4O2-=CO2+2H2O；

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，物质的量n==0.005mol，为生成的氢气和氯气，n(H2)=n(Cl2)=0.0025mol，结合电极反应计算，2H++2e-=H2↑，溶液中氢离子浓度减少=增加的氢氧根离子浓度=×2=0.01mol/L，结合离子积常数计算得到氢离子浓度=mol/L=10-12mol/L，计算溶液pH=12。