Question

【題目】氫能是理想的清潔能源，資源豐富。以太陽能為熱源分解Fe3O4，經由熱化學鐵氧化合物循環分解水制H2的過程如下:

（1）過程I :2Fe3O4(s)6FeO(s)+O2(g) △H=+313.2 kJ/mol

①過程I需要將O2不斷分離出去，目的是______________。

②一定溫度下，在容積可變的密閉容器中，該反應已達到平衡。下列說法正確的是____(填字母標號) 。

a.容器內氣體密度和相對分子質量都不再改變

b.升高溫度，容器內氣體密度變大

c.向容器中通入N2，Fe3O4 轉化率不變

d.縮小容器容積，O2(g)濃度變大

③在壓強p1下，Fe3O4的平衡轉化率隨溫度變化的曲線如圖甲所示。若將壓強由p1增大到p2在圖甲中畫出p2的α(Fe3O4)~T 曲線示意圖。___________

（2）已知H2的燃燒熱是285.8kJ/mol，則液態水通過過程II轉化的熱化學方程式為______。

（3）其他條件不變時，過程II在不同溫度下，H2O的轉化率隨時間的變化α(H2O)~t曲線如圖乙所示，溫度T1、T2、T3由大到小的關系是_________，判斷依據是_________。

（4）科研人員研制出透氧膜(OTM)，它允許電子和O2-同時透過，可實現水連續分解制H2，工作時CO、H2O分別在透氧膜的兩側反應。工作原理如圖所示:

CO 在________側反應(填“a”或“b”)，另一側的電極反應式為______________。

Answer 1

【答案】提高Fe3O4的轉化率 ab 3FeO(s)+ H2O(l)=H2(g)+ Fe3O4(s) △H =+129.2kJ/mol Tl>T2>T3 其他條件相同時，圖像斜率Tl>T2>T3,即反應速率Tl>T2>T3，而溫度越高，反應速率越快，所以Tl>T2>T3 b H2O+2e-=H2+O2-

【解析】

(1)過程Ⅰ：2Fe3O4(s)6FeO(s)+O2(g)△H=+313.18kJmol-1。

①將O2分離出去，平衡正向移動，目的是提高Fe3O4的轉化率，故答案為：提高Fe3O4的轉化率；

②a.容器內只有氧氣，溫度不變，平衡常數不變，氧氣的濃度不變，則平衡時氣體密度和相對分子質量不變，正確；b.正反應為吸熱反應，升高溫度，平衡正向移動，平衡常數增大，氧氣的濃度增大，相當于體積減小，容器內氣體密度變大，正確；c.向容器中通入N2，容器的體積增大，氧氣的濃度減小，平衡正向移動，Fe3O4轉化率增大，錯誤；d.溫度不變，平衡常數不變，縮小容器容積，O2(g)濃度不變，錯誤；故選ab；

③壓強增大，平衡向氣體系數減小的方向移動，平衡逆向移動，Fe3O4的轉化率降低，所以圖像為：，故答案為：；

(2)由圖可知：過程Ⅱ的化學方程式是氧化亞鐵與水反應生成四氧化三鐵和氫氣，所以反應方程式為：3FeO+H2OFe3O4+H2，過程Ⅰ：①2Fe3O4(s)6FeO(s)+O2(g)△H=+313.18kJmol-1，H2的燃燒熱是285.8kJ/mol，即②H2(g)+O2(g)=H2O(l) △H=—285.8kJ/mol，根據蓋斯定律，將(①×+②)×-1得：3FeO(s)+H2O(l)=H2(g)+Fe3O4(s) △H=+129.2kJ/mol，故答案為：3FeO(s)+H2O(l)=H2(g)+Fe3O4(s) △H=+129.2kJ/mol；

(3)T1＞T2＞T3；初始壓強相同，濃度相同，圖像斜率T1＞T2＞T3，溫度越高，反應速率越大，則說明T1＞T2＞T3，故答案為：T1＞T2＞T3；其他條件相同時，圖像斜率Tl>T2>T3,即反應速率Tl>T2>T3，而溫度越高，反應速率越快，所以Tl>T2>T3；

(4)本實驗利用水制取氫氣，H2O得電子生成H2和O2-，O2-通過OTM進入b側，所以H2O在a側，CO在b側反應，a側的電極反應式為H2O+2e-=H2+O2-，故答案為：b；H2O+2e-=H2+O2-。