Question

1．氫能是發(fā)展中的新能源，它的利用包括氫的制備、儲存和應用三個環(huán)節(jié)．回答下列問題：

（1）與汽油相比，氫氣作為燃料的優(yōu)點是污染小、可再生、來源廣、資源豐富、燃燒熱值高（至少答出兩點）．但是氫氣直接燃燒的能量轉換率遠低于燃料電池，寫出堿性氫氧燃料電池的負極反應式：H₂+2OH^--2e^-=2H₂O．
（2）以甲烷為原料可制得氫氣．圖1是一定溫度、壓強下，CH₄（g）與H₂O（g）反應生成CO（g）和1mol H₂（g）的能量（KJ）變化示意圖，寫出該反應的熱化學方程式CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）△H=3（E₂-E₁）（△H用E₁、E₂、E₃表示）．
（3）在恒溫恒容的密閉容器中，某儲氫反應：MHx（s）+yH₂（g）?MH_x+2y（s）△H＜0達到化學平衡．下列有關敘述正確的是ac．
a．容器內氣體壓強保持不變
b．吸收y mol H₂只需1mol MH_x
c．若降溫，該反應的平衡常數增大
d．若向容器內通入少量氫氣，則v（放氫）＞v（吸氫）
（4）化工生產的副產氫也是氫氣的來源．電解法制取有廣泛用途的Na₂FeO₄，同時獲得氫氣：Fe+2H₂O+2OH^-$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$FeO₄^2-+3H₂↑，工作原理如圖2所示．裝置通電后，鐵電極附近生成紫紅色的FeO₄^2-，鎳電極有氣泡產生．若氫氧化鈉溶液濃度過高，鐵電極區(qū)會產生紅褐色物質．已知：Na₂FeO₄只在強堿性條件下穩(wěn)定，易被H₂還原．   
①電解一段時間后，c（OH^-）降低的區(qū)域在陽極室（填“陰極室”或“陽極室”）．
②電解過程中，須將陰極產生的氣體及時排出，其原因是防止Na₂FeO₄與H₂反應使產率降低．
③c（ Na₂FeO₄）隨初始c（NaOH）的變化如圖3，分析N點c（ Na₂FeO₄）低于最高值的原因：N點：c（OH）過高，鐵電極上有氫氧化鐵生成，使Na2FeO4產率降低．
（5）在容積可變的密閉容器中充入10molCO和20molH₂，發(fā)生CO （ g ）+2H₂ （ g ）?CH₃OH （ g ）△H＜0，CO 的平衡轉化率隨溫度（T）、壓強（P）的變化如圖4所示，當達到平衡狀態(tài)A 時，容器的體積為1L．若反應開始時仍充入10mol CO 和20mol H₂，則在平衡狀態(tài)B時容器的體積V（B）=0.2L．

Answer 1

分析 （1）與汽油相比，氫氣作為燃料的優(yōu)點有污染小、可再生、來源廣、資源豐富、燃燒熱值高等；堿性氫氧燃料電池的負極反應式為H₂+2OH^--2e^-=2H₂O；
（2）根據圖示信息，反應物的能量低于產物的能量，所以反應是吸熱反應，反應熱等于產物的能量和反應物的能量之差；
（3）MH_x（s）+yH₂（g）?MH_x+2y（s）△H＜0，該反應屬于氣體的物質的量發(fā)生變化的反應，a．平衡時氣體的物質的量不變，容器內氣體壓強保持不變；b．該反應為可逆反應，不能完全轉化，吸收ymol H₂需大于1mol MH_x；c．若降溫，平衡正向移動，該反應的平衡常數增大；d．若向容器內通入少量氫氣，相當于增大壓強，平衡正向移動，則v（放氫）＜v（吸氫）；
（4）①根據題意鎳電極有氣泡產生是氫離子放電生成氫氣，鐵電極發(fā)生氧化反應，溶液中的氫氧根離子減少；
②氫氣具有還原性，根據題意Na₂FeO₄只在強堿性條件下穩(wěn)定，易被H₂還原．電解過程中，須將陰極產生的氣體及時排出，防止Na₂FeO₄與H₂反應使產率降低；
③根據題意Na₂FeO₄只在強堿性條件下穩(wěn)定，在M點，c（OH^-）低，Na₂FeO₄穩(wěn)定性差，且反應慢，在N點：c（OH^-）過高，鐵電極上有氫氧化鐵生成，使Na₂FeO₄產率降低；
（5）A、B反應溫度相等，則平衡常數相等，利用平衡常數計算．

解答 解：（1）與汽油相比，氫氣作為燃料的優(yōu)點有污染小、可再生、來源廣、資源豐富、燃燒熱值高等；堿性氫氧燃料電池的負極反應式為H₂+2OH^--2e^-=2H₂O，
故答案為：污染小、可再生、來源廣、資源豐富、燃燒熱值高；H₂+2OH^--2e^-=2H₂O；
（2）根據圖示信息，反應物的能量低于產物的能量，所以反應是吸熱反應，反應熱等于產物的能量和反應物的能量之差，即CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）△H=3（E₂-E₁），
故答案為：CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）△H=3（E₂-E₁）；
（3）MH_x（s）+yH₂（g）?MH_x+2y（s）△H＜0，該反應屬于氣體的物質的量發(fā)生變化的反應，a．平衡時氣體的物質的量不變，容器內氣體壓強保持不變，正確；b．該反應為可逆反應，不能完全轉化，吸收ymol H₂需大于1mol MH_x，錯誤；c．若降溫，平衡正向移動，該反應的平衡常數增大，正確；d．若向容器內通入少量氫氣，相當于增大壓強，平衡正向移動，則v（放氫）＜v（吸氫），錯誤；
故選ac；
（4）①根據題意鎳電極有氣泡產生是氫離子放電生成氫氣，鐵電極發(fā)生氧化反應，溶液中的氫氧根離子減少，因此電解一段時間后，c（OH^-）降低的區(qū)域在陽極室，
故答案為：陽極室；
②氫氣具有還原性，根據題意Na₂FeO₄只在強堿性條件下穩(wěn)定，易被H₂還原．電解過程中，須將陰極產生的氣體及時排出，防止Na₂FeO₄與H₂反應使產率降低，
故答案為：防止Na₂FeO₄與H₂反應使產率降低；
③根據題意Na₂FeO₄只在強堿性條件下穩(wěn)定，在M點，c（OH^-）低，Na₂FeO₄穩(wěn)定性差，且反應慢，在N點：c（OH^-）過高，鐵電極上有氫氧化鐵生成，使Na₂FeO₄產率降低，
故答案為：N點：c（OH）過高，鐵電極上有氫氧化鐵生成，使Na2FeO4產率降低；
（5）分析圖象可知，A狀態(tài)下CO的轉化率為0.5，則CO轉化了10mol×0.5=5mol，
                      CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH
起始物質的量：10            20               0
轉化物質的量：5             10               5  
平衡物質的量：5             10               5
當達到平衡狀態(tài)A時，容器的體積為20L．則平衡常數K=$\frac{5}{5×1{0}^{2}}$=0.01，
A、B兩容器溫度相同，即化學平衡常數相等，且B點時CO的轉化率為0.8，
則            CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
起始（mol）：10     20         0
轉化（mol）：8      16         8
平衡（mol）：2       4         8
設體積為VL，則有K=$\frac{\frac{8}{V}}{\frac{2}{V}×（\frac{4}{V}）^{2}}$=0.01，
V=0.2，
故答案為：0.2L．

點評 本題綜合考查化學平衡計算、電解原理、影響化學平衡的因素等知識點，側重考查學生分析、計算能力，正確分析圖象及靈活運用化學反應原理是解本題關鍵，難點是電解池中電極反應式的書寫．