Question

中科院一项新研究成果实现了甲烷高效生产乙烯，其反应为：2CH₄(g)C₂H₄(g)+2H₂(g)   ΔH＞0

物质	燃烧热(kJ/mol)
氢气	285.8
甲烷	890.3
乙烯	1411.5

(1)已知相关物质的燃烧热如表，完成热化学方程式：2CH₄(g)C₂H₄(g)+2H₂(g)   ΔH=__。

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

①若图1中曲线a、b分别表示在T₁℃时，使用等质量的两种不同的催化剂时，达到平衡过程中n(CH₄)变化曲线，判断：催化剂a_____b（填“优于”或“劣于”）。

②在15 min时改变反应条件，导致n(CH₄)发生变化(见图1)，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，温度为时，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)。电解质是掺杂了Y₂O₃与ZrO₂的固体，可在高温下传导O^2-。

①图中C处的Pt为_______(填“阴”或“阳”)极。

②该电池工作时负极的电极反应式为________。

③用该电池电解饱和食盐水，一段时间后收集到标准状况下气体总体积为112 mL，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500 mL）。

Answer

+202.5 kJ/mol 劣于 升高温度或减小压强 12.8 ＞ 升高温度，正、逆反应速率都加快，平衡正向移动，v(正)＞v(逆)，说明正反应速率增大的倍数多于逆反应速率增大的倍数 阳 CH4-8e-+4O2-=CO2+2H2O 12

【解析】

(1)根据已知条件，可得热化学方程式：

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；

根据盖斯定律，将②×2-①×2-③，整理可得：2CH4(g)C2H4(g)+2H2(g) ΔH=+202.5 kJ/mol；

(2)①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，可知：b催化剂表面积大,反应速率越快，达到平衡所需时间越短，先达到平衡，该催化剂性能好，b先达到平衡，说明催化剂a劣于催化剂b；

②15 min时，若改变外界反应条件，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，正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，故改变的条件是升高温度或减小压强；

(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正c2(CH4)=k逆c(C2H4)·c2(H2)， ，对于反应2CH4(g)C2H4(g)+2H2(g) ，反应开始时n(CH4)=2 mol，n(C2H4)=n(H2)=0，反应达到平衡时，H2的浓度为1.6 mol/L，由于容器的容积是1 L，所以平衡时气体的物质的量与浓度数值相等，各种物质的平衡浓度分别是：c(CH4)=(2 -1.6)mol/L=0.4 mol/L，n(C2H4)=0.8 mol/L，n(H2)=1.6 mol/L，因此平衡时K= mol/L=12.8 mol/L，即=12.8 mol/L；升高温度，正、逆反应速率都加快。由于该反应的正反应为吸热反应，根据平衡移动原理：升高温度，平衡向吸热反应方向移动，说明正反应速率增大的倍数大于逆反应速率增大的倍数，速率增大后，由于v(正)＞v(逆)，使化学平衡正向移动；

(4)①甲烷燃料电池中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，C极与原电池的正极连接为阳极；

②在原电池负极，CH4失去电子生成CO2，传导离子是O2-，结合电荷守恒、原子守恒，可得负极的电极反应式：CH4-8e-+4O2-=CO2+2H2O；

③n(H2+Cl2)==0.005 mol，根据电解反应方程式：2NaCl+2H2OCl2↑+H2↑+2NaOH，可知每反应产生2 mol气体，同时在阴极得到2 mol NaOH，现在反应产生0.005 mol气体，因此反应产生了0.005 mol NaOH，由于溶液的体积是0.5 L，则阴极附近溶液中c(NaOH)==0.01 mol/L，在室温下水的离子积常数Kw=10-14(mol/L)2，c(H+)= mol/L=10-12 mol/L，所以溶液的pH=12。