Question

【題目】甲烷催化裂解是工業上制備乙炔的方法之一。回答下列問題：

(1)已知：CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(l)　ΔH1=－890 kJ·mol－1

C2H2(g)+O2(g)=2CO2(g)+H2O(l)　ΔH2=－1 300 kJ·mol－1

2H2(g)+O2(g)=2H2O(l)　ΔH3=－572 kJ·mol－1

則2CH4(g)C2H2(g)+3H2(g)　ΔH=________kJ·mol－1。

(2)某科研小組嘗試利用固體表面催化工藝進行CH4的裂解。

①若用和分別表示CH4、C2H2、H2和固體催化劑，在固體催化劑表面CH4的裂解過程如圖所示。從吸附到解吸的過程中，能量狀態最低的是________(填字母)。

②在恒容密閉容器中充入a mol甲烷，測得單位時間內在固體催化劑表面CH4的轉化率[α(CH4)]與溫度(t)的關系如圖所示，t0 ℃后CH4的轉化率突減的原因可能是_______。

(3)甲烷分解體系中幾種氣體的平衡分壓(p，單位為Pa)與溫度(t，單位為℃)的關系如圖所示：

①t1 ℃時，向V L恒容密閉容器中充入0.12 mol CH4，只發生反應2CH4(g)C2H4(g)+2H2(g)，達到平衡時，測得p(C2H4)=p(CH4)，CH4的平衡轉化率為________。(保留3位有效數字)若改變溫度至t2 ℃，CH4以0.01mol/(L· s)的平均速率增多，則t1________t2(填“>”“=”或“<”)。

②在圖中，t3 ℃時，化學反應2CH4(g)C2H2(g)+3H2(g)的壓強平衡常數Kp=____。

(4)工業上，以石墨為電極，電解亞鐵氰化鉀K4[Fe(CN)6]溶液可以制備鐵氰化鉀{K3[Fe(CN)6]，可用于檢驗Fe2+}，陽極的電極反應式為____________。

(5)設計如圖實驗探究犧牲陽極的陰極保護法原理：

操作	現象
(i)取鐵極附近的溶液于試管中，滴加鐵氰化鉀溶液	無明顯現象
(ii)在U形管鐵極附近滴加鐵氰化鉀溶液	產生藍色沉淀

得出結論：①鋅______保護鐵；(填“能”或“不能”)

②產生藍色沉淀可以得出鐵被鐵氰化鉀氧化生成______。

Answer 1

【答案】+378 A 溫度過高，催化劑活性降低 66.7% > 1.0× 104.7 [Fe(CN)6]4--e-=[Fe(CN)6]3- 能 Fe2+

【解析】

(1)根據已知熱化學方程式，結合蓋斯定律可得待求反應的熱化學方程式；

(2)①飽和過程分析甲烷的裂解為吸熱反應，甲烷分子活化需要吸收能量；

②根據單位時間內在固體催化劑表面CH4的轉化率[α(CH4)]與溫度(to℃)的關系圖示，t0后減小是和催化劑活性有關；

(3)①設出CH4的轉化濃度，然后根據三段式，利用c(C2H4)=c(CH4)來解答，根據改變溫度后，CH4的濃度升高來判斷溫度的變化；

②t3℃時，化學反應2CH4(g)=C2H2(g)+3H2(g)的氣體分壓為：p(CH4)=103、p(H2)=104、p(C2H2)=10-1.3，壓強平衡常數Kp=。

(4)電解時陽極失去電子，發生氧化反應；

(5)根據Fe2+與鐵氰化鉀溶液生成藍色沉淀，可說明鐵被鐵氰化鉀氧化生成了Fe2+。

(1)已知：①CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(l)　ΔH1=-890 kJ/mol

②C2H2(g)+O2(g)=2CO2(g)+H2O(l)　ΔH2=-1300 kJ/mol

③2H2(g)+O2(g)=2H2O(l)　ΔH3=-572 kJ/mol

根據蓋斯定律，將①×4-②-③×可得得到2CH4(g)C2H2(g)+3H2(g)　ΔH=＋378kJ/mol；

(2)①從吸附到解吸的過程中，甲烷的裂解為吸熱反應，甲烷分子活化需要吸收能量，所以能量狀態最低的是A；

②t0℃后CH4的轉化率突減的原因可能是溫度過高，導致催化劑活性降低；

(3)①設CH4的開始濃度為0.3mol/L，轉化濃度為xmol/L，根據反應方程式2CH4(g)=C2H4(g)+2H2(g)中物質反應轉化關系可知平衡時c(CH4)=(0.3-x)mol/L，c(C2H4)=mol/L，c(H2)=xmol/L，達到平衡時，測得p(C2H4)=p(CH4)，由于容器的容積不變，氣體的物質的量的比等于壓強的比，可知：0.3-x=，所以x=0.2mol/L，故CH4的平衡轉化率=×100%=66.7%；

反應2CH4(g)=C2H4(g)+2H2(g)為分解反應，而分解反應絕大多數為吸熱反應，因此該反應為吸熱反應；改變溫度后，CH4的濃度升高，即平衡左移，即溫度應為降低，即t1>t2；

②將該反應的平衡常數表達式，將氣體的平衡濃度換為平衡分壓，t3℃時，化學反應2CH4(g)=C2H2(g)+3H2(g)的氣體分壓為：p(CH4)=103、p(H2)=104、p(C2H2)=10-1.3，壓強平衡常數Kp===；

(4)電解時陽極[Fe(CN)6]4-失去電子生成[Fe(CN)6]3-，電極反應方程式為：/span>[Fe(CN)6]4--e-=[Fe(CN)6]3-；

(5)取鐵電極附近的溶液于試管中，滴加鐵氰化鉀溶液，無明顯選項，說明Fe電極未發生反應；在U形管鐵極附近滴加鐵氰化鉀溶液生成藍色沉淀，可說明鐵被鐵氰化鉀氧化生成了Fe2+。