Question

20．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．
已知：①CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂△H=+206.2kJ•mol^-1；
②CH₄（g）+CO₂（g）?2CO（g）+2H₂△H=+247.4kJ•mol^-1；
③2H₂S（g）?2H₂（g）+S₂（g）△H=+169.8kJ•mol^-1；
（1）以甲烷為原料制取氫氣是工業(yè)上常用的制氫方法．CH₄（g）與H₂O（g）反應(yīng)生成CO₂（g）和H₂（g）的熱化學(xué)方程式為CH₄（g）+2H₂O（g）═CO₂（g）+4H₂（g）△H=+165.0kmol^-1．
（2）在密閉容器中充入一定量的H₂S，發(fā)生反應(yīng)③．如圖所示為H₂S氣體分解生成H₂和S₂（g）的平衡轉(zhuǎn)化率與溫度、壓強的關(guān)系．
①圖中壓強（p₁、p₂、p₃）的大小順序為P₁＜P₂＜P₃，理由是該可逆反應(yīng)的正反應(yīng)是氣體分子數(shù)增大的反應(yīng)，相同溫度下，增大壓強平衡逆向進行，H₂S的轉(zhuǎn)化率減小．
②該反應(yīng)平衡常數(shù)的大小關(guān)系為K（T₁）＜（填“＞”、“＜”或“=”）K（T₂），理由是該可逆反應(yīng)的正反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，升高溫度，平衡常數(shù)增大．
③圖中M點的平衡常數(shù)K_p=1MPa^-1（用平衡分壓代替平衡濃度計算，分壓=總壓×物質(zhì)的量分數(shù)）
④如果想進一步提高H₂S的轉(zhuǎn)化率，除改變溫度、壓強外，還可以采取的措施有及時分離出產(chǎn)物．
（3）氫氣燃料電池能大幅度提高能量的轉(zhuǎn)化率．甲烷-空氣堿性（KOH為電解質(zhì)）燃料電池的負極反應(yīng)式為CH₄-8e^一+10OH^-=CO₃^2-+7H₂0．相同條件下，甲烷燃料電池與氫氣燃料電池的能量密度之比為1：2 （單位質(zhì)量的輸出電能叫能量密度，能量密度之比等于單位質(zhì)量的可燃物轉(zhuǎn)移電子數(shù)之比）．

Answer 1

分析 （1）利用蓋斯定律①×2-②得：CH₄（g）+2H₂O（g）═CO₂（g）+4H₂（g）解答，從待求反應(yīng)出發(fā)分析反應(yīng)物、生成物在所給反應(yīng)中的位置，通過相互加減可得；
（2）2H₂S（g）?2H₂（g）+S₂（g）△H=+169.8kJ•mol^-1，
①依據(jù)化學(xué)平衡移動原理可知壓強增大平衡向氣體體積減小的方向進行；
②圖分析可知升溫H₂S的轉(zhuǎn)化率增大，說明升溫平衡正向進行，平衡常數(shù)增大；
③結(jié)合化學(xué)平衡三行計算列式計算平衡物質(zhì)的物質(zhì)的量，用平衡分壓代替平衡濃度計算，分壓=總壓×物質(zhì)的量分數(shù)；
④如果想進一步提高H₂S的轉(zhuǎn)化率，除改變溫度、壓強外，可以減少生成物濃度促進平衡正向進行，提高硫化氫的轉(zhuǎn)化率；
（3）甲烷-空氣堿性（KOH為電解質(zhì)）燃料電池是甲烷失電子在堿溶液中發(fā)生氧化反應(yīng)生成碳酸鹽，單位質(zhì)量的輸出電能叫能量密度，能量密度之比等于單位質(zhì)量的可燃物轉(zhuǎn)移電子數(shù)之比計算；

解答 解：（1）①CH₄（g）+H₂O（g）═CO（g）+3H₂（g）△H=206.2kmol^-1
②CH₄（g）+CO₂（g）═2CO（g）+2H₂（g）△H=247.4kJmol^-1
據(jù)蓋斯定律，①×2-②得：CH₄（g）+2H₂O（g）═CO₂（g）+4H₂（g）△H=165.0kmol^-1，
故答案為：CH₄（g）+2H₂O（g）═CO₂（g）+4H₂（g）△H=+165.0kmol^-1；
（2）①2H₂S（g）?2H₂（g）+S₂（g）△H=+169.8kJ•mol^-1，反應(yīng)是氣體體積增大的反應(yīng)，溫度不變，壓強增大平衡逆向進行，H₂S的轉(zhuǎn)化率減小，則壓強關(guān)系為：P₁＜P₂＜P₃，
故答案為：P₁＜P₂＜P₃，該可逆反應(yīng)的正反應(yīng)是氣體分子數(shù)增大的反應(yīng)，相同溫度下，增大壓強平衡逆向進行，H₂S的轉(zhuǎn)化率減�。�
②反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，平衡移動原理可知，升溫平衡正向進行，圖分析可知升溫H₂S的轉(zhuǎn)化率增大，說明升溫平衡正向進行，平衡常數(shù)增大，K（T₁）＜K（T₂），
故答案為：＜，該可逆反應(yīng)的正反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，升高溫度，平衡常數(shù)增大；
③M點的H₂S轉(zhuǎn)化率為50%，總壓為5MPa，設(shè)H₂S起始量為2mol，
                2H₂S（g）?2H₂（g）+S₂（g）
起始量（mol）    2          0      0
變化量（mol）    1          1      0.5
平衡量（mol）    1          1       0.5
Kp=$\frac{K{p}^{2}（{H}_{2}）Kp（{S}_{2}）}{K{p}^{2}（{H}_{2}S）}$=$\frac{（5×\frac{1}{2.5}）^{2}×5×\frac{0.5}{2.5}}{（5×\frac{1}{2.5}）^{2}}$=1，
故答案為：1；
④如果想進一步提高H₂S的轉(zhuǎn)化率，除改變溫度、壓強外，可以減少生成物濃度促進平衡正向進行，提高硫化氫的轉(zhuǎn)化率，采取的措施有及時分離出產(chǎn)物，
故答案為：及時分離出產(chǎn)物；
（3）甲烷-空氣堿性（KOH為電解質(zhì)）燃料電池的負極反應(yīng)式為CH₄-8e^一+10OH^-=CO₃^2-+7H₂0，設(shè)甲烷和氫氣質(zhì)量為16g，則預(yù)計電極反應(yīng)計算電子轉(zhuǎn)移總數(shù)計算得到能量密度之比，CH₄-8e^一+10OH^-=CO₃^2-+7H₂0，16g甲烷燃燒電子轉(zhuǎn)移8mol，16g氫氣物質(zhì)的量8mol，電子轉(zhuǎn)移16mol，H₂-2e^-=2H⁺，所以相同條件下，甲烷燃料電池與氫氣燃料電池的能量密度之比為8：16=1：2，
故答案為：CH₄-8e^一+10OH^-=CO₃^2-+7H₂0； 1：2．

點評 本題考查熱化學(xué)方程式書寫、化學(xué)平衡圖象、影響化學(xué)平衡的因素、化學(xué)平衡常數(shù)、原電池原理和電極書寫等，難度中等，注意利用“定一議二”原則分析和電子轉(zhuǎn)移總數(shù)計算．