Question

近來，制備和利用氫氣這一清潔能源已有多項(xiàng)成果．
（1）德國(guó)克萊斯公司成功研制了利用甲醇（CH₃OH）車載制氫燃料電池工藝，其原理如圖所示，請(qǐng)觀察此圖回答：

①燃料電池的正極反應(yīng)式為

 

；
②甲醇與流程圖中任一反應(yīng)物反應(yīng)制取氫氣的化學(xué)方程式

 

．
（2）美國(guó)Bay等工廠使用石油熱裂解的副產(chǎn)物甲烷來制取氫氣，其生產(chǎn)流程如圖：

①此流程的第Ⅱ步反應(yīng)為：CO（g）+H₂O（g）?H₂（g）+CO₂（g），該反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)表達(dá)式為K=

 

；
②此流程的第Ⅱ步反應(yīng)的平衡常數(shù)隨溫度的變化如表1，在830℃，以表2的物質(zhì)的量（單位為mol）投入恒容反應(yīng)器發(fā)生上述反應(yīng)，其中反應(yīng)開始時(shí)，向正反應(yīng)方向進(jìn)行的有

 

（填實(shí)驗(yàn)編號(hào)）；
表1

溫度/℃	400	500	830	1000
平衡常數(shù)K	10	9	1	0.6

表2

實(shí)驗(yàn)編號(hào)	n（CO）	n（H2O）	n（H2）	n（CO2）
A	1	5	2	3
B	2	2	1	1
C	3	3	0	0
D	0.5	2	1	1

③若400℃時(shí)，第Ⅱ步反應(yīng)生成1 mol氫氣的熱效應(yīng)值為33.2（單位為kJ），第1步反應(yīng)的熱化學(xué)方程式為：
CH₄（g）+H₂O（g）═3H₂（g）+CO（g）△H=-103.3kJ?mol^-1
則400℃時(shí)，甲烷和水蒸氣反應(yīng)生成二氧化碳和氫氣的熱化學(xué)方程式為

 

．
（3）我國(guó)科學(xué)家研究了常溫下利用Pt等催化劑在可見光作用下使水分解制氫氣的方法，如圖是三種催化劑在光照分解水實(shí)驗(yàn)中的效果比較圖．能得出如圖結(jié)果的實(shí)驗(yàn)方案是

 

．

Answer 1

分析：（1）①原電池正極上氧氣得電子發(fā)生還原反應(yīng)；
②甲醇可以和水反應(yīng)生成氫氣，也可以和氧氣反應(yīng)放出氫氣；
（2）①根據(jù)反應(yīng)方程式和平衡常數(shù)的含義書寫平衡常數(shù)表達(dá)式；
②已知830℃時(shí)的平衡常數(shù)為1，根據(jù)表中數(shù)據(jù)求出濃度商，再與K比較，若濃度商大于K，則逆向移動(dòng)，若濃度商小于K，則正向移動(dòng)；
③根據(jù)已知熱化學(xué)方程式和利用蓋斯定律計(jì)算書寫；
（3）控制其它條件相同，改變催化劑．

解答：解：（1）①原電池正極上氧氣得電子發(fā)生還原反應(yīng)，生成氫氧根離子，其電極反應(yīng)式為：O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-，
故答案為：O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-；
②甲醇可以和水反應(yīng)生成氫氣，也可以和氧氣反應(yīng)放出氫氣，其反應(yīng)的化學(xué)方程式為：CH₃OH+H₂O=CO₂+3H₂或2CH₃OH+O₂=2CO₂+4H₂，
故答案為：CH₃OH+H₂O=CO₂+3H₂或2CH₃OH+O₂=2CO₂+4H₂；
（2）①已知CO（g）+H₂O（g）?H₂（g）+CO₂（g），則化學(xué)平衡常數(shù)K=

c(H2)?c(CO2)

c(CO)?c(H2O)

；故答案為：

c(H2)?c(CO2)

c(CO)?c(H2O)

；
②A、Q_A=

c(H2)?c(CO2)

c(CO)?c(H2O)

=

3×2

5×1

=1.2＞1=K，所以反應(yīng)向逆方向進(jìn)行，故A不符合；
B、Q_B=

c(H2)?c(CO2)

c(CO)?c(H2O)

=

1×1

2×2

=0.25＜1=K，反應(yīng)未達(dá)到平衡，所以反應(yīng)向正方向進(jìn)行，故B符合；
C、Q_C=

c(H2)?c(CO2)

c(CO)?c(H2O)

=0＜1=K，反應(yīng)未達(dá)到平衡，所以反應(yīng)向正方向進(jìn)行，故C符合；
D、Q_D=

c(H2)?c(CO2)

c(CO)?c(H2O)

=

1×1

2×0.5

=1，反應(yīng)處于平衡狀態(tài)，故D不符合；
故答案為：BC；
③由題意知CO（g）+H₂O（g）=H₂（g）+CO₂（g）△H=-33.2 kJ?mol^-1
又有CH₄（g）+H₂O（g）=3H₂（g）+CO（g）△H=-103.3 kJ?mol^-1
兩方程式相加得CH₄（g）+2H₂O（g）=CO₂（g）+4H₂（g）△H=-136.5 kJ?mol^-1，
故答案為：CH₄（g）+2H₂O（g）=CO₂（g）+4H₂（g）△H=-136.5kJ?mol^-1；
（3）比較不同催化劑的催化效果需要其他條件相同，然后每小時(shí)測(cè)定一次不同催化劑分解水產(chǎn)生氫氣的體積，記錄數(shù)據(jù)，作圖分析；
故答案為：控制其他條件不變，每小時(shí)測(cè)定一次不同催化劑分解水產(chǎn)生氫氣的體積，記錄數(shù)據(jù)，作圖分析．

點(diǎn)評(píng)：本題考查了電極方程式的書寫，化學(xué)方程式的書寫，反應(yīng)方向的判斷，熱化學(xué)方程式的書寫等；屬于反應(yīng)原理的應(yīng)用的考查，題目難度中等；注意對(duì)反應(yīng)原理的歸納整理，熟練掌握有關(guān)的原理是解題的關(guān)鍵．