Question

【題目】CH4既是一種重要的能源，也是一種重要的化工原料。

(1)甲烷高溫分解生成氫氣和碳。在密閉容器中進(jìn)行此反應(yīng)時，要通入適量空氣使部分甲烷燃燒，其目的是____________。已知25℃、101 kPa時，1 mol甲烷完全燃燒生成CO2和液態(tài)水時放出896 kJ熱量，則甲烷的熱值為___kJ·g-1。

(2)一定溫度下，在偏鋁酸亞銅(CuAlO2)的催化作用下，CH4與CO2轉(zhuǎn)化成乙酸，可實(shí)現(xiàn)“CO2減排”，寫出反應(yīng)的化學(xué)方程式__________，其優(yōu)點(diǎn)是_____(請寫出一條)。

(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下列措施能夠加快化學(xué)反應(yīng)速率的是______。

a. 使用催化劑 b. 降低溫度 c. 及時分離水

②若上述反應(yīng)在恒容密閉容器中進(jìn)行，則下列敘述能說明該反應(yīng)達(dá)平衡的是_____。

a. 混合氣體的質(zhì)量不再變化

b. c(NO2) = 2c(N2)

c. 單位時間內(nèi)生成1 mol CO2，同時生成2 mol NO2

(4)甲烷可直接應(yīng)用于燃料電池，該電池采用可傳導(dǎo)O2-的固體氧化物為電解質(zhì)，其工作原理如圖所示:

①b極電極反應(yīng)式為_________。

②若燃料電池消耗的空氣在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積是5.6L(假設(shè)空氣中O2體積分?jǐn)?shù)為20%)，則理論上消耗甲烷____mol。

Answer 1

【答案】提供CH4分解所需的能量 56 CH4+CO2 CH3COOH 原子轉(zhuǎn)化率100%(或符合綠色化學(xué)理念) a c O2 + 4e－＝2O2－ 0.025

【解析】

(1)根據(jù)已知信息和熱值的單位分析熱值是指單位質(zhì)量的物質(zhì)完全燃燒生成穩(wěn)定氧化物時放出的熱量；

(2)根據(jù)已知信息書寫化學(xué)方程式，根據(jù)反應(yīng)特點(diǎn)分析其優(yōu)點(diǎn)；

(3)①根據(jù)外界因素對反應(yīng)速率的影響分析；

②根據(jù)化學(xué)平衡狀態(tài)的判斷依據(jù)分析；

(4)根據(jù)甲烷燃料電池的工作原理分析。

(1)甲烷高溫分解生成氫氣和碳是吸熱反應(yīng)，因此在密閉容器中進(jìn)行此反應(yīng)時，要通入適量空氣使部分甲烷燃燒，為CH4分解提供所需的能量；已知25℃、101 kPa時，1 mol甲烷完全燃燒生成CO2和液態(tài)水時放出896 kJ熱量，則1g甲烷完全燃燒放出的熱量為，則甲烷的熱值為56kJ·g-1；

(2)一定溫度下，在偏鋁酸亞銅(CuAlO2)的催化作用下，CH4與CO2轉(zhuǎn)化成乙酸，可實(shí)現(xiàn)“CO2減排”，該反應(yīng)的化學(xué)方程式為CH4+CO2 CH3COOH，該反應(yīng)為化合反應(yīng)，無其他副產(chǎn)物產(chǎn)生，則其優(yōu)點(diǎn)是原子轉(zhuǎn)化率100%(或符合綠色化學(xué)理念)。

(3)①使用催化劑能加快反應(yīng)速率，但降低溫度、及時分離水即降低生成物濃度均使反應(yīng)速率降低，所以a選、bc不選；

②a. 該反應(yīng)中各物質(zhì)均為氣體，所以反應(yīng)體系中混合氣體的質(zhì)量始終不變，即混合氣體的質(zhì)量不再變化，不能說明反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，故a錯誤；

b. 反應(yīng)物濃度不變或v(NO2)正=2v(N2)逆，可說明反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，但c(NO2) = 2c(N2)不能判斷反應(yīng)是否達(dá)到平衡狀態(tài)，故b錯誤；

c. 單位時間內(nèi)生成1 mol CO2，同時生成2 mol NO2，則v(NO2)逆=2v(CO2)正，說明反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，故c正確；

(4)①在甲烷燃料電池中，通入甲烷的一極為負(fù)極，通入空氣的一極為正極，即a為負(fù)極、b為正極，由圖示可知，氧氣在正極得電子發(fā)生還原反應(yīng)生成O2－，故b極電極反應(yīng)式為O2 + 4e－＝2O2－；

②5.6L空氣中含有氧氣為5.6L×20%=1.12L，即0.05mol，甲烷燃料電池的總反應(yīng)式為CH4+2O2═CO2+2H2O，所以理論上消耗甲烷的物質(zhì)的量=0.05mol×=0.025mol。