近來,制備和利用氫氣這一清潔能源已有多項(xiàng)成果.(1)德國克萊斯公司成功研制了利用甲醇CH3OH)車載制氫燃料電池工藝,其原理如圖1所示,請觀察此圖回答:
①此堿性燃料電池的正極反應(yīng)式為
O2+2H2O+4e-=4OH-
O2+2H2O+4e-=4OH-

②甲醇與水反應(yīng)制取氫氣的化學(xué)方程式
CH3OH+H2O?3H2+CO2
CH3OH+H2O?3H2+CO2

(2)美國Bay等工廠使用石油熱裂解的副產(chǎn)物甲烷來制取氫氣,其生產(chǎn)流程如圖2:
①此流程的第II步反應(yīng)為:CO(g)+H2O(g)
高溫
H2(g)+CO2(g),平衡常數(shù)隨溫度的變化如下表.
溫度/℃ 400 500 830 1000
平衡常數(shù)K 10 9 1 0.6
在830℃,n(CO)、n(H2O)、n(H2)、n(CO2)的物質(zhì)的量分別是1、5、2、3投入恒容反應(yīng)器發(fā)生上述反應(yīng),反應(yīng)開始時,向
(填正、逆)反應(yīng)方向進(jìn)行.
②若400℃時,第Ⅱ步反應(yīng)生成l mol氫氣放出的熱量為33.2kJ,第I步反應(yīng)的熱化學(xué)方程式為:CH4(g)+H2O(g)=3H2(g)+CO(g)△H=-103.3kJ?mol-1 則400℃時,甲烷和水蒸氣反應(yīng)生成二氧化碳和氫氣的熱化學(xué)方程式為
CH4(g)+2H2O(g)=CO2(g)+4H2(g)△H=-136.5kJ?mol-1
CH4(g)+2H2O(g)=CO2(g)+4H2(g)△H=-136.5kJ?mol-1

(3)工業(yè)上有一種用CO2來生產(chǎn)甲醇燃料的方法:
CO2(g)+3H2(g)
 
CH3OH(g)+H2O(g)△H=-49.0kJ?mol-1
將6molCO2和8molH2充入2L的密閉容器中,測得H2的物質(zhì)的量隨時間變化如圖3所示(實(shí)線).
①a點(diǎn)正反應(yīng)速率
大于
大于
(填大于、等于或小于)逆反應(yīng)速率.
②求平衡時氫氣的轉(zhuǎn)化率
75%
75%
和該條件下反應(yīng)的平衡常數(shù)K=
0.5
0.5

③僅改變某一實(shí)驗(yàn)條件再進(jìn)行兩次實(shí)驗(yàn),測得H2的物質(zhì)的量隨時間變化如圖3虛線所示,曲線I對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)條件改變是
升高溫度
升高溫度
,曲線II對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)條件改變是
增大壓強(qiáng)
增大壓強(qiáng)
分析:(1)①正極上是氧氣得電子發(fā)生還原反應(yīng)生成OH-;
②根據(jù)元素守恒甲醇與水反應(yīng)制取氫氣和二氧化碳;
(2)①根據(jù)Qc=
c(H2)c(CO2)
c(CO)c(H2O)
與K的大小關(guān)系判斷;
②ⅠCO(g)+H2O(g)?H2(g)+CO2(g)△H=-33.2kJ?mol-1,
ⅡCH4(g)+H2O(g)=3H2(g)+CO(g)△H=-103.3kJ?mol-1,
由蓋斯定律可知,Ⅰ+Ⅱ得到CH4(g)2+H2O(g)=4H2(g)+CO2(g);
(3)①a點(diǎn)時還沒有達(dá)到平衡狀態(tài),從反應(yīng)物的物質(zhì)的量的變化趨勢判斷反應(yīng)進(jìn)行的方向,依次判斷正逆反應(yīng)速率大;
②根據(jù)已知反應(yīng)物的量,利用三段式,求出平衡時各物質(zhì)的物質(zhì)的量,再求轉(zhuǎn)化率和平衡常數(shù);
③從虛線變化判斷達(dá)到平衡時反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化的物質(zhì)的量來分析,曲線I反應(yīng)速率增大,但轉(zhuǎn)化的氫氣的物質(zhì)的量少,應(yīng)是升高溫度,因該反應(yīng)放熱,升高溫度平衡逆向移動,曲線Ⅲ反應(yīng)速率增大,轉(zhuǎn)化的氫氣的物質(zhì)的量多,平衡正向移動,應(yīng)是增大壓強(qiáng).
解答:解:(1)①正極上是氧氣得電子發(fā)生還原反應(yīng)生成OH-其電極反應(yīng)方程為:O2+2H2O+4e-=4OH-,故答案為:O2+2H2O+4e-=4OH-
②甲醇與水反應(yīng)制取氫氣和二氧化碳,其反應(yīng)方程為:CH3OH+H2O?3H2+CO2,故答案為:CH3OH+H2O?3H2+CO2;
(2)①Q(mào)c=
c(H2)c(CO2)
c(CO)c(H2O)
=
3
V
×
2
V
5
V
×
1
V
=1.2>K=1,所以平衡逆移,故答案為:逆;
②ⅠCO(g)+H2O(g)?H2(g)+CO2(g)△H=-33.2kJ?mol-1,
ⅡCH4(g)+H2O(g)=3H2(g)+CO(g)△H=-103.3kJ?mol-1,
由蓋斯定律可知,Ⅰ+Ⅱ得到CH4(g)2+H2O(g)=4H2(g)+CO2(g)△H=-136.5kJ?mol-1,
故答案為:CH4(g)+2H2O(g)=CO2(g)+4H2(g)△H=-136.5kJ?mol-1;
(3)①(1)a點(diǎn)時還沒有達(dá)到平衡狀態(tài),反應(yīng)物氫氣的物質(zhì)的量繼續(xù)減小,平衡向正向移動,所以正反應(yīng)速率大于逆反應(yīng)速率,故答案為:大于;
②設(shè)參加反應(yīng)的二氧化碳為nmol;
         CO2(g)+3H2(g)
 
CH3OH(g)+H2O
起始的量:6mol     8mol
反應(yīng)的量:n        3n        n        n
平衡的量:6-n      8-3n      n        n
已知平衡時:氫氣的物質(zhì)的量為2mol,所以8-3n=2,即n=2mol,所以CO2、H2、CH3OH、H2O的濃度分別為:2mol/L,1mol/L,1mol/L,1mol/L;
所以平衡時氫氣的轉(zhuǎn)化率為:
2×3mol
8mol
×100%=75%,K=
c(CH3OH)c(H2O)
c(CO2)c3(H2)
=
1×1
13
=0.5,
故答案為:75%;0.5;
③曲線I反應(yīng)速率增大,但轉(zhuǎn)化的氫氣的物質(zhì)的量少,應(yīng)是升高溫度,因該反應(yīng)放熱,升高溫度平衡逆向移動,不利于氫氣的轉(zhuǎn)化,故曲線I是升高溫度;曲線Ⅲ反應(yīng)速率增大,轉(zhuǎn)化的氫氣的物質(zhì)的量多,因增大壓強(qiáng)平衡正向移動,故應(yīng)是增大壓強(qiáng),故答案為:升高溫度;增大壓強(qiáng).
點(diǎn)評:此題考查化學(xué)反應(yīng)速率或平衡的圖象和熱化學(xué)反應(yīng)方程式,考查計(jì)算反應(yīng)速率的大小比較以及反應(yīng)物轉(zhuǎn)化的多少,注意把握對題目圖象的分析.題目較為綜合,具有一定難度.
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相關(guān)習(xí)題

科目:高中化學(xué) 來源: 題型:

近來,制備和利用氫氣這一清潔能源已有多項(xiàng)成果.
(1)德國克萊斯公司成功研制了利用甲醇(CH3OH)車載制氫燃料電池工藝,其原理如圖所示,請觀察此圖回答:
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①燃料電池的正極反應(yīng)式為
 

②甲醇與流程圖中任一反應(yīng)物反應(yīng)制取氫氣的化學(xué)方程式
 

(2)美國Bay等工廠使用石油熱裂解的副產(chǎn)物甲烷來制取氫氣,其生產(chǎn)流程如圖:
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①此流程的第Ⅱ步反應(yīng)為:CO(g)+H2O(g)?H2(g)+CO2(g),該反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)表達(dá)式為K=
 
;
②此流程的第Ⅱ步反應(yīng)的平衡常數(shù)隨溫度的變化如表1,在830℃,以表2的物質(zhì)的量(單位為mol)投入恒容反應(yīng)器發(fā)生上述反應(yīng),其中反應(yīng)開始時,向正反應(yīng)方向進(jìn)行的有
 
(填實(shí)驗(yàn)編號);
表1
溫度/℃ 400 500 830 1000
平衡常數(shù)K 10 9 1 0.6
表2
實(shí)驗(yàn)編號 n(CO) n(H2O) n(H2 n(CO2
A 1 5 2 3
B 2 2 1 1
C 3 3 0 0
D 0.5 2 1 1
③若400℃時,第Ⅱ步反應(yīng)生成1 mol氫氣的熱效應(yīng)值為33.2(單位為kJ),第1步反應(yīng)的熱化學(xué)方程式為:
CH4(g)+H2O(g)═3H2(g)+CO(g)△H=-103.3kJ?mol-1
則400℃時,甲烷和水蒸氣反應(yīng)生成二氧化碳和氫氣的熱化學(xué)方程式為
 

(3)我國科學(xué)家研究了常溫下利用Pt等催化劑在可見光作用下使水分解制氫氣的方法,如圖是三種催化劑在光照分解水實(shí)驗(yàn)中的效果比較圖.能得出如圖結(jié)果的實(shí)驗(yàn)方案是
 
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科目:高中化學(xué) 來源:同步題 題型:填空題

近來,制備和利用氫氣這一清潔能源已有多項(xiàng)成果。
(1)德國克萊斯公司成功研制了車載甲醇(CH3OH)制氫燃料電池工藝,其原理如下圖所示,請觀察此圖回答
①燃料電池的正極反應(yīng)式為____________________________。
②甲醇與流程圖中任一反應(yīng)物反應(yīng)制取氫氣的化學(xué)方程式________________________。
(2)美國Bay等工廠使用石油熱裂解的副產(chǎn)物甲烷來制取氫氣,其生產(chǎn)流程如下圖
①此流程的第Ⅱ步反應(yīng)為:CO(g)+H2O(g)H2(g)+CO2(g),該反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)表達(dá)式為K=
________。
②此流程的第Ⅱ步反應(yīng)的平衡常數(shù)隨溫度的變化如下表,在830℃、以表中的物質(zhì)的量(單位為mol)投入恒容反應(yīng)器發(fā)生上述反應(yīng),其中反應(yīng)開始時,向正反應(yīng)方向進(jìn)行的有________(填實(shí)驗(yàn)編號)。
③若400 ℃時,第Ⅱ步反應(yīng)生成1 mol氫氣的熱效應(yīng)值為33.2(單位為kJ),第Ⅰ步反應(yīng)的熱化學(xué)方程式為:
CH4(g)+H2O(g)==3H2(g)+CO(g) ΔH=-103.3 kJ·mol-1 則400 ℃時,甲烷和水蒸氣反應(yīng)生成二氧化碳和氫氣的熱化學(xué)方程式為______________________。
(3)我國科學(xué)家研究了常溫下利用Pt等催化劑在可見光作用下使水分解制氫氣的方法,下圖是三種催化劑在光照分解水實(shí)驗(yàn)中的效果比較圖。能得出如圖結(jié)果的實(shí)驗(yàn)方案是_____________________。

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