Question

【題目】CH4是重要的清潔能源和化工原料,CH4和CO2都是產生溫室效應的主要氣體，且前者影響更大。

（1）二氧化碳的電子式為______________。

（2）25℃、101Kpa下，1g CH4完全燃燒生成液態(tài)水和CO2放熱55.64kJ,則表示CH4燃燒熱的熱化學方程式為：__________________________________。

（3）CH4和CO2反應可以生成價值更高的化工產品，在250℃、以鎳合金為催化劑，向2L密閉容器中通入4mol CH4和6mol CO2發(fā)生反應如下：CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g)。平衡時甲烷的物質的量為1mol。

①計算此溫度下，該反應的平衡常數K=_________mol2/L2。

②下列各項不能說明該反應處于平衡狀態(tài)的是_________。

A.容器中的壓強恒定 B CH4的轉化率恒定

C.容器中氣體的密度恒定 D. CH4與CO物質的量之比恒定

（4）甲烷-空氣堿性（KOH為電解質）燃料電池的負極反應式為_________________。相同條件下甲烷燃料電池與氫氣燃料電池的能量密度之比為________。（能量密度之比等于單位質量可燃物完全反應轉移的電子數之比）

（5）科學家以CO2和H2為原料合成乙烯，6H2(g)+2CO2(g)CH2=CH2(g)+4H20(g)，已知溫度對CO2平衡轉化率和催化劑催化效果的影響如圖所示，請回答下列問題：

①生成乙烯的速率：v（M）有可能大于v（N），其理由是_________________。

②若投料比n（H2）：n（CO2）=4：1，則圖中M點時，C2H4的體積分數為_______％。

③若想提高C2H4的產率，可采取的措施有___________________。

Answer 1

【答案】 CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(l) H=-890.24kJ·mol-1 108(mol·L-1)2 C CH4-8e-+10OH-=CO32-+7H2O 1:2 隨溫度升高，催化劑的催化效率（或活性）降低 5.88 低溫 高壓 及時移走生成物

【解析】

(1)二氧化碳分子中存在兩個碳氧雙鍵，其電子式為；

(2)1g CH4完全燃燒生成液態(tài)水和CO2氣體，放出55.64kJ的熱量，則1mol即16g CH4完全燃燒生成液態(tài)水和CO2氣體，16×55.64kJ=890.24kJ，則甲烷燃燒熱的熱化學方程式為：CH4(g)+2O2(g)═CO2(g)+2H2O(l)△H=-890.24kJmol-1；

(3)①向2L密閉容器中通入4mol CH4和6mol CO2發(fā)生反應如下：CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g)。平衡時甲烷的物質的量為1mol，列三段式：

平衡常數K=(molL-1)2=108(molL-1)2；

②A．反應前后氣體體積變化，容器中的壓強恒定說明反應達到平衡狀態(tài)，故A不選；

B. CH4的轉化率恒定是平衡標志，故B不選；

C.反應前后氣體質量和體積不變，容器中氣體的密度始終恒定，不能說明反應達到平衡狀態(tài)，故C選；

D．CH4與CO反應的物質的量之比1：2，CH4與CO物質的量之比恒定，能說明正逆反應速率相同，故D不選；

故答案為C；

(4)甲烷-空氣堿性(KOH為電解質)燃料電池負極甲烷失電子發(fā)生氧化反應，電解質為堿性，所以生成碳酸鹽，負極反應式為CH4-8e一+10OH-=CO32-+7H2O；

設甲烷和氫氣質量為16g，則根據電極反應計算電子轉移總數可得到能量密度之比，根據方程式CH4-8e一+10OH-=CO32-+7H2O，16g甲烷燃燒電子轉移8mol，根據方程式H2-2e-=2H+，16g氫氣物質的量8mol，電子轉移16mol，所以相同條件下，甲烷燃料電池與氫氣燃料電池的能量密度之比為8：16=1：2；

(5)①化學反應速率隨溫度的升高而加快，但溫度過高催化劑的催化效率降低，所以v(M)有可能大于v(N)；

②設開始投料n(H2)為4mol，則n(CO2)為1mol，在M點平衡時二氧化碳的轉化率為50%，則轉化的n(CO2)=0.5mol，剩余的n(CO2)=0.5mol，根據方程式6H2(g)+2CO2(g)CH2=CH2(g)+4H2O(g)，可知轉化的n(H2)=1.5mol，剩余的n(H2)=2.5mol，生成的n(CH2=CH2)=0.25mol，生成的n(H2O)=1mol，所以氫氣的體積分數為×100%=5.88%；

③溫度升高二氧化碳轉化率降低，說明正反應為放熱反應，故降低溫度可使平衡右移增大乙烯產率；該反應為壓強減小的反應，故增大壓強可使平衡右移增大乙烯產率；及時移走生成物也可使平衡右移增大乙烯產率。