Question

【題目】甲烷催化裂解是工業(yè)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?yán)�用固體表面催化工藝進(jìn)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(tài)最低的是________(填字母)。

②在恒容密閉容器中充入a mol甲烷，測(cè)得單位時(shí)間內(nèi)在固體催化劑表面CH4的轉(zhuǎn)化率[α(CH4)]與溫度(t)的關(guān)系如圖所示，t0 ℃后CH4的轉(zhuǎn)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(guān)系如圖所示：

①t1 ℃時(shí)，向V L恒容密閉容器中充入0.12 mol CH4，只發(fā)生反應(yīng)2CH4(g)C2H4(g)+2H2(g)，達(dá)到平衡時(shí)，測(cè)得p(C2H4)=p(CH4)，CH4的平衡轉(zhuǎn)化率為________。(保留3位有效數(shù)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(shí)，化學(xué)反應(yīng)2CH4(g)C2H2(g)+3H2(g)的壓強(qiáng)平衡常數(shù)Kp=____。

(4)工業(yè)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(yàn)Fe2+}，陽極的電極反應(yīng)式為____________。

(5)設(shè)計(jì)如圖實(shí)驗(yàn)探究犧牲陽極的陰極保護(hù)法原理：

操作	現(xiàn)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(xiàn)象
(ii)在U形管鐵極附近滴加鐵氰化鉀溶液	產(chǎn)生藍(lán)色沉淀

得出結(jié)論：①鋅______保護(hù)鐵；(填“能”或“不能”)

②產(chǎn)生藍(lán)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(jù)已知熱化學(xué)方程式，結(jié)合蓋斯定律可得待求反應(yīng)的熱化學(xué)方程式；

(2)①飽和過程分析甲烷的裂解為吸熱反應(yīng)，甲烷分子活化需要吸收能量；

②根據(jù)單位時(shí)間內(nèi)在固體催化劑表面CH4的轉(zhuǎn)化率[α(CH4)]與溫度(to℃)的關(guān)系圖示，t0后減小是和催化劑活性有關(guān)；

(3)①設(shè)出CH4的轉(zhuǎn)化濃度，然后根據(jù)三段式，利用c(C2H4)=c(CH4)來解答，根據(jù)改變溫度后，CH4的濃度升高來判斷溫度的變化；

②t3℃時(shí)，化學(xué)反應(yīng)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(qiáng)平衡常數(shù)Kp=。

(4)電解時(shí)陽極失去電子，發(fā)生氧化反應(yīng)；

(5)根據(jù)Fe2+與鐵氰化鉀溶液生成藍(lán)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(jù)蓋斯定律，將①×4-②-③×可得得到2CH4(g)C2H2(g)+3H2(g)　ΔH=＋378kJ/mol；

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

②t0℃后CH4的轉(zhuǎn)化率突減的原因可能是溫度過高，導(dǎo)致催化劑活性降低；

(3)①設(shè)CH4的開始濃度為0.3mol/L，轉(zhuǎn)化濃度為xmol/L，根據(jù)反應(yīng)方程式2CH4(g)=C2H4(g)+2H2(g)中物質(zhì)反應(yīng)轉(zhuǎn)化關(guān)系可知平衡時(shí)c(CH4)=(0.3-x)mol/L，c(C2H4)=mol/L，c(H2)=xmol/L，達(dá)到平衡時(shí)，測(cè)得p(C2H4)=p(CH4)，由于容器的容積不變，氣體的物質(zhì)的量的比等于壓強(qiáng)的比，可知：0.3-x=，所以x=0.2mol/L，故CH4的平衡轉(zhuǎn)化率=×100%=66.7%；

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

②將該反應(yīng)的平衡常數(shù)表達(dá)式，將氣體的平衡濃度換為平衡分壓，t3℃時(shí)，化學(xué)反應(yīng)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(qiáng)平衡常數(shù)Kp===；

(4)電解時(shí)陽極[Fe(CN)6]4-失去電子生成[Fe(CN)6]3-，電極反應(yīng)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(xiàng)，說明Fe電極未發(fā)生反應(yīng)；在U形管鐵極附近滴加鐵氰化鉀溶液生成藍(lán)色沉淀，可說明鐵被鐵氰化鉀氧化生成了Fe2+。