Question

【題目】氫氣是一種清潔能源，氫氣的制取與儲存是氫能源利用領(lǐng)域的研究熱點。

(1)熱分解法制氫。某溫度，H2O(g) H2(g)+1/2O2(g)。該反應(yīng)平衡常數(shù)表達(dá)式K=_____

(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) + 1/2O2(g) ΔH=－73 kJ·mol-1

②3FeBr2(s) + 4H2O(g) = Fe3O4(s) + 6HBr(g) + H2(g) ΔH=+384 kJ·mol-1

③CaBr2(s) + H2O (g) = CaO(s) + 2HBr(g) ΔH=+212 kJ·mol-1

④Fe3O4(s)+8 HBr(g) = Br2(g) + 3FeBr2(s) + 4H2O(g) ΔH=－274 kJ·mol-1

則 H2O(g) H2(g)+1/2O2(g) ΔH =_________kJ·mol－1。

(3)光電化學(xué)分解制氫，鈦酸鍶光電極:4OH-－4e- O2+2H2O，則鉑電極的電極反應(yīng)為_______。

(4)水煤氣法制氫。CO(g) + H2O(g) CO2(g)+ H2(g) ΔH <0，在850℃時，K=1。

① 若升高溫度到950℃時，達(dá)到平衡時K_________1(填“＞”、“＜”或 “＝”)。

② 850℃時，若向一容積可變的密閉容器中同時充入1.0 mol CO、3.0 mol H2O、1.0 mol CO2 和x mol H2，若要使上述反應(yīng)開始時向正反應(yīng)方向進(jìn)行，則x應(yīng)滿足的條件是_________。

(5)甲烷制氫。將1.0 mol CH4和2.0 mol H2O (g)通入容積為100 L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)。測得達(dá)到平衡所需的時間為5 min，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_____。

(6)LiBH4具有非常高的儲氫能力，分解時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_____。

Answer 1

【答案】K= 249 2H2O + 2e－ = H2↑+ 2OH－（或2H++2e－=H2↑） ＜ x＜ 3 0.003 mol·L－1· min－1 2LiBH4＝2 LiH＋2B＋3H2↑

【解析】

(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)開始時向正反應(yīng)方向進(jìn)行，濃度商小于平衡常數(shù)計算判斷；

(5)依據(jù)甲烷的消耗量計算甲烷的化學(xué)反應(yīng)速率，結(jié)合速率之比等于化學(xué)方程式中的計量數(shù)之比計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。

(1) 某溫度下，H2O(g)H2(g)+O2(g)，該反應(yīng)的平衡常數(shù)表達(dá)式為K=；

(2)①Br2(g) + CaO(s) = CaBr2(s) + 1/2O2(g) ΔH=－73 kJ·mol-1，②3FeBr2(s) + 4H2O(g) = Fe3O4(s) + 6HBr(g) + H2(g) ΔH=+384 kJ·mol-1，③CaBr2(s) + H2O (g) = CaO(s) + 2HBr(g) ΔH=+212 kJ·mol-1，④Fe3O4(s)+8 HBr(g) = Br2(g) + 3FeBr2(s) + 4H2O(g) ΔH=－274 kJ·mol-1，則由蓋斯定律①+②+③+④得到： H2O(g) H2(g)+1/2O2(g) ΔH=(－73 kJ·mol-1)+(+384 kJ·mol-1)+(+212 kJ·mol-1)+(－274 kJ·mol-1)=+249kJ·mol－1；

(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↑)；

(4)①CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)△H＜0，在850℃時，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，達(dá)到平衡時K＜1；

②850℃時，若向一容積可變的密閉容器中同時充入1.0mol CO、3.0mol H2O、1.0mol CO2 和x mol H2，若要使上述反應(yīng)開始時向正反應(yīng)方向進(jìn)行，說明此時的濃度商小于平衡常數(shù)，則Q==＜1，解得：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)，測得達(dá)到平衡所需的時間為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==0.001mol/Lmin，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/Lmin；

(6) LiBH4具有非常高的儲氫能力，分解時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↑。