Question

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

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

②第Ⅱ步反應(yīng)為可逆反應(yīng)。800℃時(shí)，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(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)后，測(cè)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(chǔ)氫載體，能與水反應(yīng)生成NaBO2，且反應(yīng)前后B元素的化合價(jià)不變，該反應(yīng)的化學(xué)方程式為___________________，反應(yīng)消耗1mol NaBH4時(shí)轉(zhuǎn)移的電子數(shù)目為_______。

（3）儲(chǔ)氫還可借助有機(jī)物，如利用環(huán)已烷和苯之間的可逆反應(yīng)來實(shí)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(shí)苯的濃度為b mol·L－1，該反應(yīng)的平衡常數(shù)K=____________________（用含a、b的關(guān)系式表達(dá)）。

（4）一定條件下，如下圖所示裝置可實(shí)現(xiàn)有機(jī)物的電化學(xué)儲(chǔ)氫（除目標(biāo)產(chǎn)物外，近似認(rèn)為無其它有機(jī)物生成）。

①實(shí)現(xiàn)有機(jī)物儲(chǔ)氫的電極是________；

A．正極

B．負(fù)極

C．陰極

D．陽極

其電極反應(yīng)方程為：________________________。

②該儲(chǔ)氫裝置的電流效率η明顯小于100%，其主要原因是相關(guān)電極除目標(biāo)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(biāo)產(chǎn)物消耗的電子數(shù)/轉(zhuǎn)移的電子總數(shù)）×100%，計(jì)算結(jié)果保留小數(shù)點(diǎn)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(yīng)生成二氧化碳和氫氣的熱化學(xué)方程式是CH4(g) + 2H2O(g) =4H2(g) +CO2(g); △H =" -136.5" kJ/mol ;②第Ⅱ步反應(yīng)為可逆反應(yīng)，根據(jù)圖像可寫出該反應(yīng)的化學(xué)方程式為：第Ⅱ步反應(yīng)為可逆反應(yīng)，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(yīng)前后B元素的化合價(jià)不變，則反應(yīng)前后B元素的化合價(jià)均是＋3價(jià)，因此反應(yīng)前NaBH4中氫元素的化合價(jià)是－1價(jià)。水中氫元素的化合價(jià)是＋1價(jià)，因此反應(yīng)中還有氫氣生成，則反應(yīng)的化學(xué)方程式為NaBH4＋2H2O=NaBO2＋4H2↑。NaBH4中氫元素的化合價(jià)從－1價(jià)升高到0價(jià)，因此1molNaBH4在反應(yīng)中失去4mol電子，其數(shù)目是4NA或2.408×1024。

(3)平衡時(shí)苯的濃度是b mol/L，則根據(jù)反應(yīng)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(shí)環(huán)戊烷的濃度為（a－b）mol/L。由于化學(xué)平衡常數(shù)是在一定條件下，當(dāng)可逆反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，生成物濃度的冪之積和反應(yīng)物濃度的冪之積的比值，則該溫度下反應(yīng)的平衡常數(shù)為＝mol3/L3。

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

②陰極除了目標(biāo)產(chǎn)物，還可能發(fā)生氫離子得電子生成氫氣的電極反應(yīng)，所以這種氣體是氫氣；陽極生成2.8mol氣體，該氣體應(yīng)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(shè)陰極消耗苯的物質(zhì)的量是xmol，則同時(shí)生成 xmol環(huán)戊烷，根據(jù)電極反應(yīng)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(chǔ)氫裝置的電流效率＝×100%＝64.3%。