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。在密閉容器中進行此反應時，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轉化成乙酸，可實現“CO2減排”，寫出反應的化學方程式__________，其優點是_____(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反應速率的是______。

a. 使用催化劑 b. 降低溫度 c. 及時分離水

②若上述反應在恒容密閉容器中進行，則下列敘述能說明該反應達平衡的是_____。

a. 混合氣體的質量不再變化

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

c. 單位時間內生成1 mol CO2，同時生成2 mol NO2

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

①b極電極反應式為_________。

②若燃料電池消耗的空氣在標準狀況下的體積是5.6L(假設空氣中O2體積分數為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 原子轉化率100%(或符合綠色化學理念) a c O2 + 4e－＝2O2－ 0.025

【解析】

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

(2)根據已知信息書寫化學方程式，根據反應特點分析其優點；

(3)①根據外界因素對反應速率的影響分析；

②根據化學平衡狀態的判斷依據分析；

(4)根據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，因此在密閉容器中進行此反應時，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轉化成乙酸，可實現“CO2減排”，該反應的化學方程式為CH4+CO2 CH3COOH，該反應為化合反應，無其他副產物產生，則其優點是原子轉化率100%(或符合綠色化學理念)。

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

②a. 該反應中各物質均為氣體，所以反應體系中混合氣體的質量始終不變，即混合氣體的質量不再變化，不能說明反應達到平衡狀態，故a錯誤；

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

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

(4)①在甲烷燃料電池中，通入甲烷的一極為負極，通入空氣的一極為正極，即a為負極、b為正極，由圖示可知，氧氣在正極得電子發生還原反應生成O2－，故b極電極反應式為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式為CH4+2O2═CO2+2H2O，所以理論上消耗甲烷的物質的量=0.05mol×=0.025mol。