Question

【題目】氫氣是一種清潔能源。制氫和儲氫作為氫能利用的關鍵技術，是當前科學家主要關注的熱點問題。（1）用甲烷制取氫氣的兩步反應的能量變化如下圖所示：

①甲烷和水蒸氣反應生成二氧化碳和氫氣的熱化學方程式是________________。

②第Ⅱ步反應為可逆反應。800℃時，若CO的起始濃度為2.0 mol·L－1，水蒸氣的起始濃度為3.0 mol·L－1，達到化學平衡狀態(tài)后，測得CO2的濃度為1.2 mol·L－1，則CO的平衡轉(zhuǎn)化率為__________。

（2）NaBH4是一種重要的儲氫載體，能與水反應生成NaBO2，且反應前后B元素的化合價不變，該反應的化學方程式為___________________，反應消耗1mol NaBH4時轉(zhuǎn)移的電子數(shù)目為_______。

（3）儲氫還可借助有機物，如利用環(huán)已烷和苯之間的可逆反應來實現(xiàn)脫氫和加氫。

在某溫度下，向恒容容器中加入環(huán)已烷，其起始濃度為a mol·L－1，平衡時苯的濃度為b mol·L－1，該反應的平衡常數(shù)K=____________________（用含a、b的關系式表達）。

（4）一定條件下，如下圖所示裝置可實現(xiàn)有機物的電化學儲氫（除目標產(chǎn)物外，近似認為無其它有機物生成）。

①實現(xiàn)有機物儲氫的電極是________；

A．正極

B．負極

C．陰極

D．陽極

其電極反應方程為：________________________。

②該儲氫裝置的電流效率η明顯小于100%，其主要原因是相關電極除目標產(chǎn)物外，還有一種單質(zhì)氣體生成，這種氣體是_________。由表中數(shù)據(jù)可知，此裝置的電流效率η＝______________。[η＝（生成目標產(chǎn)物消耗的電子數(shù)/轉(zhuǎn)移的電子總數(shù)）×100%，計算結(jié)果保留小數(shù)點后1位]。

Answer 1

【答案】CH4(g) + 2H2O(g) =4H2(g) +CO2(g); △H = -136.5 kJ/mol 60% NaBH4＋2H2O=NaBO2＋4H2↑ 4NA或2.408×1024 mol3·L－3 C C6H6＋6H＋＋6e－＝C6H12 H2 64.3%

【解析】

（1）①根據(jù)圖像可得甲烷和水蒸氣反應生成二氧化碳和氫氣的熱化學方程式是CH4(g) + 2H2O(g) =4H2(g) +CO2(g); △H =" -136.5" kJ/mol ;②第Ⅱ步反應為可逆反應，根據(jù)圖像可寫出該反應的化學方程式為：第Ⅱ步反應為可逆反應，CO(g) + H2O(g)= H2(g)+CO2(g) △H =" -33.2" kJ/mol

起始濃度；2.0 3.0 0 0

變化濃度：1.2 1.2 1.2 1.2

平衡濃度：0.8 1.8 1.2 1.2 CO的平衡轉(zhuǎn)化率為1.2/2.0x100%=60%

(2)反應前后B元素的化合價不變，則反應前后B元素的化合價均是＋3價，因此反應前NaBH4中氫元素的化合價是－1價。水中氫元素的化合價是＋1價，因此反應中還有氫氣生成，則反應的化學方程式為NaBH4＋2H2O=NaBO2＋4H2↑。NaBH4中氫元素的化合價從－1價升高到0價，因此1molNaBH4在反應中失去4mol電子，其數(shù)目是4NA或2.408×1024。

(3)平衡時苯的濃度是b mol/L，則根據(jù)反應的方程式可知消耗環(huán)戊烷的濃度是b mol/L，生成氫氣的濃度是3 b mol/L，，平衡時環(huán)戊烷的濃度為（a－b）mol/L。由于化學平衡常數(shù)是在一定條件下，當可逆反應達到平衡狀態(tài)時，生成物濃度的冪之積和反應物濃度的冪之積的比值，則該溫度下反應的平衡常數(shù)為＝mol3/L3。

（4）①苯生成環(huán)戊烷屬于得氫反應，因此實現(xiàn)有機物儲氫的電極是陰極；苯得到電子生成環(huán)戊烷是目標產(chǎn)物，由于存在質(zhì)子交換膜，所以氫離子向陰極移動，則電極反應式為C6H6＋6H＋＋6e－＝C6H12。

②陰極除了目標產(chǎn)物，還可能發(fā)生氫離子得電子生成氫氣的電極反應，所以這種氣體是氫氣；陽極生成2.8mol氣體，該氣體應該是陽極OH－放電生成的氧氣，則轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量＝2.8mol×4＝11.2mol。設陰極消耗苯的物質(zhì)的量是xmol，則同時生成 xmol環(huán)戊烷，根據(jù)電極反應式C6H6＋6H＋＋6e－＝C6H12可知得到電子是6xmol，根據(jù)電子守恒可知，陰極生成氫氣是＝5.6mol－3xmol，所以＝0.1，解得x＝1.2，因此儲氫裝置的電流效率＝×100%＝64.3%。