Question

氫氣是一種清潔能源，氫氣的制取與儲(chǔ)存是氫能源利用領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)．
（1）直接熱分解法制氫．某溫度下，H₂O（g）?H₂（g）+

1

2

O₂（g）．該反應(yīng)的平衡常數(shù)表達(dá)式為K=

c(H2)c 1 2 (O2)

c(H2O)

．
（2）熱化學(xué)循環(huán)制氫．制備H₂的反應(yīng)步驟如下：
①Br₂（g）+CaO（s）═CaBr₂（s）+

1

2

O₂（g）△H=-73kJ?mol^-1
②3FeBr₂（s）+4H₂O（g）═Fe₃O₄（s）+6HBr（g）+H₂（g）△H=+384kJ?mol^-1
③CaBr₂（s）+H₂O （g）═CaO（s）+2HBr（g）△H=+212kJ?mol^-1
④Fe₃O₄（s）+8HBr（g）═Br₂（g）+3FeBr₂（s）+4H₂O（g）△H=-274kJ?mol^-1
則 H₂O（g）?H₂（g）+

1

2

O₂（g）△H=

+249

kJ?mol^-1．
（3）光電化學(xué)分解制氫，其原理如圖．鈦酸鍶光電極的電極反應(yīng)為4OH^--4e^-═O₂+2H₂O，則鉑電極的電極反應(yīng)為

2H₂O+2e^-═H₂↑+2OH^-（或2H⁺+2e^-═H₂↑）

．
（4）水煤氣法制氫．
CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H＜0，在850℃時(shí)，K=1．
①若升高溫度到950℃時(shí)，達(dá)到平衡時(shí)K

＜

1（填“＞”、“＜”或“=”）．
②850℃時(shí)，若向一容積可變的密閉容器中同時(shí)充入1.0mol CO、3.0mol H₂O、1.0mol CO₂ 和x mol H₂，若要使上述反應(yīng)開始時(shí)向正反應(yīng)方向進(jìn)行，則x應(yīng)滿足的條件是

x＜3

．
（5）甲烷制氫．將1.0mol CH₄和2.0mol H₂O （g）通入容積為100L的反應(yīng)室，在一定條件下發(fā)生反應(yīng)：CH₄（g）+H₂O（g）═CO（g）+3H₂（g）．測(cè)得達(dá)到平衡所需的時(shí)間為5min，CH₄的平衡轉(zhuǎn)化率為50%，則用H₂表示該反應(yīng)的平均反應(yīng)速率為

0.003 mol?L^-1?min^-1

．
（6）LiBH₄具有非常高的儲(chǔ)氫能力，分解時(shí)生成氫化鋰和兩種非金屬單質(zhì)．該反應(yīng)的化學(xué)方程式為

2LiBH₄═2LiH+2B+3H₂↑

．

Answer 1

分析：（1）依據(jù)化學(xué)平衡常數(shù)的概念和化學(xué)方程式列式得到；
（2）依據(jù)蓋斯定律和熱化學(xué)方程式計(jì)算得到所需要的熱化學(xué)方程式；
（3）用原電池原理和電極書寫方法寫出，依據(jù)裝置圖分析反應(yīng)實(shí)質(zhì)是電解水；
（4）①反應(yīng)是放熱反應(yīng)，升高溫度，平衡逆向進(jìn)行，平衡常數(shù)減��；
②若要使上述反應(yīng)開始時(shí)向正反應(yīng)方向進(jìn)行，濃度商小于平衡常數(shù)計(jì)算判斷；
（5）依據(jù)甲烷的消耗量計(jì)算甲烷的化學(xué)反應(yīng)速率，結(jié)合速率之比等于化學(xué)方程式中的計(jì)量數(shù)之比計(jì)算得到氫氣表示的反應(yīng)速率；
（6）依據(jù)分解產(chǎn)物配平書寫化學(xué)方程式．

解答：解（1）某溫度下，H₂O（g）?H₂（g）+

1

2

O₂（g），該反應(yīng)的平衡常數(shù)表達(dá)式為K=

c(H2)c 1 2 (O2)

c(H2O)

，
故答案為：

c(H2)c 1 2 (O2)

c(H2O)

；
（2）①Br₂（g）+CaO（s）═CaBr₂（s）+

1

2

O₂（g）△H=-73kJ?mol^-1
②3FeBr₂（s）+4H₂O（g）═Fe₃O₄（s）+6HBr（g）+H₂（g）△H=+384kJ?mol^-1
③CaBr₂（s）+H₂O（g）═CaO（s）+2HBr（g）△H=+212kJ?mol^-1
④Fe₃O₄（s）+8HBr（g）═Br₂（g）+3FeBr₂（s）+4H₂O（g）△H=-274kJ?mol^-1
則由蓋斯定律①+②+③+④得到：H₂O（g）?H₂（g）+

1

2

O₂（g）△H=+249KJ/mol；
故答案為：+249；
（3）鈦酸鍶光電極的電極反應(yīng)為4OH^--4e^-═O₂+2H₂O，圖分析可知反應(yīng)的原理是電解原理的應(yīng)用，實(shí)質(zhì)是電解水，所以鉑電極為陰極，氫離子得到電子生成氫氣，則鉑電極的電極反應(yīng)2H₂O+2e^-═H₂↑+2OH^-（或2H⁺+2e^-═H₂↑），
故答案為：2H₂O+2e^-═H₂↑+2OH^-（或2H⁺+2e^-═H₂↑）；  
（4）①CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H＜0，在850℃時(shí)，K=1，反應(yīng)是放熱反應(yīng)，溫度升高平衡逆向進(jìn)行，平衡常數(shù)減小，所以升高溫度到950℃時(shí)，達(dá)到平衡時(shí)K＜1；
故答案為：＜；
②850℃時(shí)，若向一容積可變的密閉容器中同時(shí)充入1.0mol CO、3.0mol H₂O、1.0mol CO₂ 和x mol H₂，若要使上述反應(yīng)開始時(shí)向正反應(yīng)方向進(jìn)行，說明此時(shí)的濃度商小于平衡常數(shù)，
則Q=

1.0×x

1.0×3.0

＜1，
得到x＜3，
故答案為：x＜3；
（5）甲烷制氫．將1.0mol CH₄和2.0mol H₂O （g）通入容積為100L的反應(yīng)室，在一定條件下發(fā)生反應(yīng)，測(cè)得達(dá)到平衡所需的時(shí)間為5min，CH₄的平衡轉(zhuǎn)化率為50%，
消耗甲烷物質(zhì)的量=1.0mol×50%=0.50mol，
甲烷表示的反應(yīng)速率=

0.50 100L

5min

=0.001mol/L?min，
依據(jù)化學(xué)方程式  CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g），甲烷和氫氣的反應(yīng)速率之比等于1：3，
則用H₂表示該反應(yīng)的平均反應(yīng)速率為：0.003mol/L?min，
故答案為：0.003 mol?L^-1?min^-1；
（6）LiBH₄具有非常高的儲(chǔ)氫能力，分解時(shí)生成氫化鋰和兩種非金屬單質(zhì)，依據(jù)物質(zhì)組成分析，非金屬單質(zhì)只能是氫氣和硼單質(zhì)，反應(yīng)的化學(xué)方程式為：2LiBH₄═2LiH+2B+3H₂↑，
故答案為：2LiBH₄═2LiH+2B+3H₂↑．

點(diǎn)評(píng)：本題考查了熱化學(xué)方程式書寫和蓋斯定量的應(yīng)用，電解原理、原電池原理的分析應(yīng)用，化學(xué)平衡和反應(yīng)速率計(jì)算判斷，掌握基礎(chǔ)是關(guān)鍵，題目難度中等．