Question

12．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1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CH₄（g）+2H₂O（g）=4H₂（g）+CO₂（g）△H=-136.5kJ/mol．
②第Ⅱ步反應為可逆反應．800℃時，若CO的起始濃度為2.0mol•L^-1，水蒸氣的起始濃度為3.0mol•L^-1，達到化學平衡狀態(tài)后，測得CO₂的濃度為1.2mol•L^-1，則CO的平衡轉(zhuǎn)化率為60%．
（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NaBH₄+2H₂O=NaBO₂+4H₂↑，反應消耗1mol NaBH₄時轉(zhuǎn)移的電子數(shù)目為4N_A或2.408×10²⁴．
（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．
$?_{高溫}^{FeSO_{4}/Al_{2}O_{3}}$+3H₂（g）
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=$\frac{27^{4}}{a-b}$（用含a、b的關系式表達）．
（4）一定條件下，如2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C；
A．正極   B．負極   C．陰極   D．陽極
其電極反應方程為：C₆H₆+6H⁺+6e^-=C₆H₁₂．
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H₂．由表中數(shù)據(jù)可知，此裝置的電流效率η=64.3%．[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%，計算結果保留小數(shù)點后1位]．

Answer 1

分析 （1）①根據(jù)蓋斯定律來計算反應的焓變，根據(jù)熱化學方程式的書寫規(guī)律來書寫熱化學方程式；
②根據(jù)化學平衡“三行式”來計算轉(zhuǎn)化率；
（2）NaBH₄與水反應生成NaBO₂，且反應前后B的化合價不變，H元素化合價由-1價、+1價變?yōu)?價，再結合轉(zhuǎn)移電子守恒配平方程式，根據(jù)NaBH₄和轉(zhuǎn)移電子之間的關系式計算；
（3）化學平衡常數(shù)K=$\frac{c（{C}_{6}{H}_{6}）．{c}^{3}（{H}_{2}）}{c（{C}_{6}{H}_{12}）}$；
（4）①活潑的氫發(fā)生氧化反應，是負極；
②該實驗的目的是儲氫，所以陰極上發(fā)生的反應為生產(chǎn)目標產(chǎn)物，陰極上苯得電子和氫離子生成環(huán)己烷；陽極上生成氧氣，同時生成氫離子，陰極上苯得電子和氫離子反應生成環(huán)己烷，苯參加反應需要電子的物質(zhì)的量與總轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量之比就是電流效率η．

解答 解：（1）①根據(jù)第一步反應過程可以得出：CH₄（g）+H₂O（g）=3H₂（g）+CO（g），△H=-103.3KJ/mol；
根據(jù)第二步反應過程可以得出：CO（g）+H₂O（g）=H₂（g）+CO₂（g），△H=-33.2KJ/mol；
根據(jù)蓋斯定律，上下兩式相加可得：CH₄（g）+2H₂O（g）=4H₂（g）+CO₂（g）△H=-136.5 kJ/mol，故答案為：CH₄（g）+2H₂O（g）=4H₂（g）+CO₂（g）△H=-136.5 kJ/mol；
②設CO的平衡轉(zhuǎn)化量為x，
           CO（g）+H₂O（g）=H₂（g）+CO₂（g）
初始濃度：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
 則CO的平衡轉(zhuǎn)化率為$\frac{1.2mol/L}{2.0mol/L}$×100%=60%，故答案為：60%；
（2）NaBH₄與水反應生成NaBO₂，且反應前后B的化合價不變，NaBO₂中B元素化合價為+3價，所以NaBH₄中H元素的化合價為-1價，所以H元素化合價由-1價、+1價變?yōu)?價，再結合轉(zhuǎn)移電子守恒配平方程式為NaBH₄+2H₂O=NaBO₂+4H₂↑，反應消耗1mol NaBH₄時轉(zhuǎn)移的物質(zhì)的量=1mol×4×（1-0）=4mol，所以轉(zhuǎn)移電子數(shù)為4N_A或2.408×10²⁴，故答案為：NaBH₄+2H₂O=NaBO₂+4H₂↑；4N_A或2.408×10²⁴；
（3）環(huán)己烷的起始濃度為amol•L^-1，平衡時苯的濃度為bmol•L^-1，同一容器中各物質(zhì)反應的物質(zhì)的量濃度之比等于其計量數(shù)之比，所以根據(jù)方程式知，環(huán)己烷的平衡濃度為（a-b）mol/L，氫氣的濃度為3bmol/L，則平衡常數(shù)K=$\frac{c（{C}_{6}{H}_{6}）．{c}^{3}（{H}_{2}）}{c（{C}_{6}{H}_{12}）}$mol³•L^-3=$\frac{b×（3b）^{3}}{（a-b）}$=$\frac{27^{4}}{a-b}$mol³•L^-3，
故答案為：$\frac{27^{4}}{a-b}$mol³•L^-3；
（4）①活潑的氫發(fā)生氧化反應，是負極，該實驗的目的是儲氫，所以陰極上發(fā)生的反應為生產(chǎn)目標產(chǎn)物，陰極上苯得電子和氫離子生成環(huán)己烷，電極反應式為C₆H₆+6H⁺+6e^-=C₆H₁₂，故答案為：C；C₆H₆+6H⁺+6e^-=C₆H₁₂；
②陽極上氫氧根離子放電生成氧氣，陽極上生成2.8mol氧氣轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量=2.8mol×4=11.2mol，
生成1mol氧氣時生成2mol氫氣，則生成2.8mol氧氣時同時生成5.6mol氫氣，
設參加反應的苯的物質(zhì)的量是xmol，參加反應的氫氣的物質(zhì)的量是3xmol，剩余苯的物質(zhì)的量為10mol×24%-xmol，反應后苯的含量=$\frac{10mol×24%-x}{10mol-3xmol+5.6mol}$=10%，
x=1.2，苯轉(zhuǎn)化為環(huán)己烷轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量為1.2mol×6=7.2mol，則$\frac{7.2mol}{11.2mol}$×100%=64.3%，
故答案為：H₂，64.3%．

點評 本題考查了化學平衡、電解池原理等知識點，根據(jù)化學平衡常數(shù)表達式、電解原理等知識點來分析解答，難點是（4）③，注意：10mol×（24%-10%）不是參加反應的苯的物質(zhì)的量，為易錯點．