Question

天然气的主要成分为CH₄，一般还含有C₂H₆等烃类，是重要的燃料和化工原料。

(1)乙烷在一定条件可发生如下反应：C₂H₆(g)= C₂H₄(g)+H₂(g) ΔH，相关物质的燃烧热数据如下表所示：

物质	C2H6(g)	C2H4(g)	H2(g)
燃烧热ΔH/( kJ·mol^−1)	-1560	-1411	-286

①ΔH=_________kJ·mol⁻¹。

②提高该反应平衡转化率的方法有_________、_________。

③容器中通入等物质的量的乙烷和氢气，在等压下(p)发生上述反应，乙烷的平衡转化率为α。反应的平衡常数K_p=_________(用平衡分压代替平衡浓度计算，分压=总压×物质的量分数)。

(2)高温下，甲烷生成乙烷的反应如下：2CH₄C₂H₆+H₂。反应在初期阶段的速率方程为：r=k×，其中k为反应速率常数。

①设反应开始时的反应速率为r₁，甲烷的转化率为α时的反应速率为r₂，则r₂=_____ r₁。

②对于处于初期阶段的该反应，下列说法正确的是_________。

A．增加甲烷浓度，r增大       B．增加H₂浓度，r增大

C．乙烷的生成速率逐渐增大    D．降低反应温度，k减小

(3)CH₄和CO₂都是比较稳定的分子，科学家利用电化学装置实现两种分子的耦合转化，其原理如下图所示：

①阴极上的反应式为_________。

②若生成的乙烯和乙烷的体积比为2∶1，则消耗的CH₄和CO₂体积比为_________。

Answer

137 升高温度 减小压强(增大体积) 1－α AD CO2+2e−=CO+O2− 6∶5

【解析】

(1) ①先写出三种气体的燃烧热的热化学方程式，然后根据盖斯定律进行计算，得到目标反应的∆H；

②反应C2H6(g)C2H4(g) + H2(g)为气体体积增大的吸热反应，升高温度、减小压强平衡等都向正反应方向移动；

③根据已知乙烷的转化率，设起始时加入的乙烷和氢气各为1mol，列出三段式，求出平衡时各物质的分压，带入平衡常数的计算公式进行计算；

(2) ①根据r=k×，若r1=kc，甲烷转化率为甲烷的浓度为c(1-)，则r2= kc(1-)；

②根据反应初期的速率方程为：r=k×，其中k为反应速率常数，据此分析速率变化的影响因素；

(3) ①由图可知，CO2在阴极得电子发生还原反应，电解质传到O2-，据此写出电极反应；

②令生成乙烯和乙烷分别为2体积和1体积，根据阿伏加德罗定律，同温同压下，气体体积比等于物质的量之比，再根据得失电子守恒，得到发生的总反应，进而计算出为消耗CH4和CO2的体积比。

(1)①由表中燃烧热数值可知：

①C2H6(g)+O2(g)=2CO2(g) +3H2O(l) ∆H1= -1560kJ∙mol-1；②C2H4(g)+3O2(g)=2CO2(g) +2H2O(l) ∆H2= -1411kJ∙mol-1；③H2(g)+O2(g)=H2O(l) ∆H3= -286kJ∙mol-1；根据盖斯定律可知，①-②-③得C2H6(g) =C2H4(g) + H2(g)，则∆H= ∆H1-∆H2-∆H3=( -1560kJ∙mol-1)-( -1411kJ∙mol-1)- ( -286kJ∙mol-1)=137kJ∙mol-1，故答案为137；

②反应C2H6(g) C2H4(g) + H2(g)为气体体积增大的吸热反应，升高温度、减小压强平衡都向正反应方向移动，故提高该反应平衡转化率的方法有升高温度、减小压强（增大体积）；

③设起始时加入的乙烷和氢气各为1mol，列出三段式，

C2H6(g) C2H4(g) + H2(g)

起始（mol） 1 0 1

转化（mol） α α

平衡（mol） 1- 1+

平衡时，C2H6、C2H4和H2平衡分压分别为p、p和p，则反应的平衡常数为Kp=；

(2) ①根据r=k×，若r1= kc，甲烷转化率为甲烷的浓度为c(1-)，则r2= kc(1-)，所以r2=(1-)r1；

②A.增大反应物浓度反应速率增大，故A说法正确；

B.由速率方程可知，初期阶段的反应速率与氢气浓度无关，故B说法错误；

C．反应物甲烷的浓度逐渐减小，结合速率方程可知，乙烷的生成速率逐渐减小，故C说法错误；

D．化学反应速率与温度有关，温度降低，反应速率常数减小，故D正确。

答案选AD。

(3) ①由图可知，CO2在阴极得电子发生还原反应，电极反应为CO2+2e-=CO+O2-；

②令生成乙烯和乙烷分别为2体积和1体积，根据阿伏加德罗定律，同温同压下，气体体积比等于物质的量之比，再根据得失电子守恒，得到发生的总反应为：6CH4+5CO2=2C2H4+ C2H6+5H2O+5CO，即消耗CH4和CO2的体积比为6:5。故答案为：6:5。