Question

13．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．

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=$\frac{27^{4}}{a-b}$mol³•L^-3（用含a、b的關系式表達）．

Answer 1

分析 （1）①由圖象寫出各反應的熱化學方程式，結合蓋斯定理計算CH₄（g）+2H₂O（g）=4H₂（g）+CO₂（g）的反應熱，并書寫熱化學方程式；
②由CO₂的濃度可計算消耗的CO的量，進而計算轉化率；
（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，再結合轉移電子守恒配平方程式，根據(jù)NaBH₄和轉移電子之間的關系式計算；
（3）化學平衡常數(shù)K=$\frac{c（{C}_{6}{H}_{6}）．{c}^{3}（{H}_{2}）}{c（{C}_{6}{H}_{12}）}$計算．

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，再結合轉移電子守恒配平方程式為NaBH₄+2H₂O=NaBO₂+4H₂↑，反應消耗1mol NaBH₄時轉移的物質的量=1mol×4×（1-0）=4mol，所以轉移電子數(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，同一容器中各物質反應的物質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．

點評 本題考查較為綜合，為高考常見題型，題目涉及蓋斯定律的應用、化學平衡等知識點，根據(jù)化學平衡移動原理等知識點來分析解答，難度中等，側重于考查學生對基礎知識的綜合應用能力．