Question

CH₄既是一种重要的能源，也是一种重要的化工原料。

(1)甲烷高温分解生成氢气和碳。在密闭容器中进行此反应时，要通入适量空气使部分甲烷燃烧，其目的是____________。已知25℃、101 kPa时，1 mol甲烷完全燃烧生成CO₂和液态水时放出896 kJ热量，则甲烷的热值为___kJ·g^-1。

(2)一定温度下，在偏铝酸亚铜(CuAlO₂)的催化作用下，CH₄与CO₂转化成乙酸，可实现“CO₂减排”，写出反应的化学方程式__________，其优点是_____(请写出一条)。

(3)甲烷可以消除氮氧化物污染。如: CH₄(g)+2NO₂(g) N₂(g) + CO₂(g) + 2H₂O(g)。

①下列措施能够加快化学反应速率的是______。

a. 使用催化剂     b. 降低温度     c. 及时分离水

②若上述反应在恒容密闭容器中进行，则下列叙述能说明该反应达平衡的是_____。

a. 混合气体的质量不再变化         

b. c(NO₂) = 2c(N₂)

c. 单位时间内生成1 mol CO₂，同时生成2 mol NO₂

(4)甲烷可直接应用于燃料电池，该电池采用可传导O^2-的固体氧化物为电解质，其工作原理如图所示:

①b极电极反应式为_________。

②若燃料电池消耗的空气在标准状况下的体积是5.6L(假设空气中O₂体积分数为20%)，则理论上消耗甲烷____mol。

Answer

提供CH4分解所需的能量 56 CH4+CO2 CH3COOH 原子转化率100%(或符合绿色化学理念) a c O2 + 4e－＝2O2－ 0.025

【解析】

(1)根据已知信息和热值的单位分析热值是指单位质量的物质完全燃烧生成稳定氧化物时放出的热量；

(2)根据已知信息书写化学方程式，根据反应特点分析其优点；

(3)①根据外界因素对反应速率的影响分析；

②根据化学平衡状态的判断依据分析；

(4)根据甲烷燃料电池的工作原理分析。

(1)甲烷高温分解生成氢气和碳是吸热反应，因此在密闭容器中进行此反应时，要通入适量空气使部分甲烷燃烧，为CH4分解提供所需的能量；已知25℃、101 kPa时，1 mol甲烷完全燃烧生成CO2和液态水时放出896 kJ热量，则1g甲烷完全燃烧放出的热量为，则甲烷的热值为56kJ·g-1；

(2)一定温度下，在偏铝酸亚铜(CuAlO2)的催化作用下，CH4与CO2转化成乙酸，可实现“CO2减排”，该反应的化学方程式为CH4+CO2 CH3COOH，该反应为化合反应，无其他副产物产生，则其优点是原子转化率100%(或符合绿色化学理念)。

(3)①使用催化剂能加快反应速率，但降低温度、及时分离水即降低生成物浓度均使反应速率降低，所以a选、bc不选；

②a. 该反应中各物质均为气体，所以反应体系中混合气体的质量始终不变，即混合气体的质量不再变化，不能说明反应达到平衡状态，故a错误；

b. 反应物浓度不变或v(NO2)正=2v(N2)逆，可说明反应达到平衡状态，但c(NO2) = 2c(N2)不能判断反应是否达到平衡状态，故b错误；

c. 单位时间内生成1 mol CO2，同时生成2 mol NO2，则v(NO2)逆=2v(CO2)正，说明反应达到平衡状态，故c正确；

(4)①在甲烷燃料电池中，通入甲烷的一极为负极，通入空气的一极为正极，即a为负极、b为正极，由图示可知，氧气在正极得电子发生还原反应生成O2－，故b极电极反应式为O2 + 4e－＝2O2－；

②5.6L空气中含有氧气为5.6L×20%=1.12L，即0.05mol，甲烷燃料电池的总反应式为CH4+2O2═CO2+2H2O，所以理论上消耗甲烷的物质的量=0.05mol×=0.025mol。