Question

【題目】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下圖所示：

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________________。

②第Ⅱ步反應為可逆反應。800℃時，若CO的起始濃度為2.0 mol·L－1，水蒸氣的起始濃度為3.0 mol·L－1，達到化學平衡狀態后，測得CO2的濃度為1.2 mol·L－1，則CO的平衡轉化率為__________。

（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___________________，反應消耗1mol NaBH4時轉移的電子數目為_______。

（3）儲氫還可借助有機物，如利用環已烷和苯之間的可逆反應來實現脫氫和加氫。

在某溫度下，向恒容容器中加入環已烷，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K=____________________（用含a、b的關系式表達）。

（4）一定條件下，如下圖所示裝置可實現有機物的電化學儲氫（除目標產物外，近似認為無其它有機物生成）。

①實現有機物儲氫的電極是________；

A．正極

B．負極

C．陰極

D．陽極

其電極反應方程為：________________________。

②該儲氫裝置的電流效率η明顯小于100%，其主要原因是相關電極除目標產物外，還有一種單質氣體生成，這種氣體是_________。由表中數據可知，此裝置的電流效率η＝______________。[η＝（生成目標產物消耗的電子數/轉移的電子總數）×100%，計算結果保留小數點后1位]。

Answer 1

【答案】CH4(g) + 2H2O(g) =4H2(g) +CO2(g); △H = -136.5 kJ/mol 60% NaBH4＋2H2O=NaBO2＋4H2↑ 4NA或2.408×1024 mol3·L－3 C C6H6＋6H＋＋6e－＝C6H12 H2 64.3%

【解析】

（1）①根據圖像可得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 =" -136.5" kJ/mol ;②第Ⅱ步反應為可逆反應，根據圖像可寫出該反應的化學方程式為：第Ⅱ步反應為可逆反應，CO(g) + H2O(g)= H2(g)+CO2(g) △H =" -33.2" kJ/mol

起始濃度；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 CO的平衡轉化率為1.2/2.0x100%=60%

(2)反應前后B元素的化合價不變，則反應前后B元素的化合價均是＋3價，因此反應前NaBH4中氫元素的化合價是－1價。水中氫元素的化合價是＋1價，因此反應中還有氫氣生成，則反應的化學方程式為NaBH4＋2H2O=NaBO2＋4H2↑。NaBH4中氫元素的化合價從－1價升高到0價，因此1molNaBH4在反應中失去4mol電子，其數目是4NA或2.408×1024。

(3)平衡時苯的濃度是b mol/L，則根據反應的方程式可知消耗環戊烷的濃度是b mol/L，生成氫氣的濃度是3 b mol/L，，平衡時環戊烷的濃度為（a－b）mol/L。由于化學平衡常數是在一定條件下，當可逆反應達到平衡狀態時，生成物濃度的冪之積和反應物濃度的冪之積的比值，則該溫度下反應的平衡常數為＝mol3/L3。

（4）①苯生成環戊烷屬于得氫反應，因此實現有機物儲氫的電極是陰極；苯得到電子生成環戊烷是目標產物，由于存在質子交換膜，所以氫離子向陰極移動，則電極反應式為C6H6＋6H＋＋6e－＝C6H12。

②陰極除了目標產物，還可能發生氫離子得電子生成氫氣的電極反應，所以這種氣體是氫氣；陽極生成2.8mol氣體，該氣體應該是陽極OH－放電生成的氧氣，則轉移電子的物質的量＝2.8mol×4＝11.2mol。設陰極消耗苯的物質的量是xmol，則同時生成 xmol環戊烷，根據電極反應式C6H6＋6H＋＋6e－＝C6H12可知得到電子是6xmol，根據電子守恒可知，陰極生成氫氣是＝5.6mol－3xmol，所以＝0.1，解得x＝1.2，因此儲氫裝置的電流效率＝×100%＝64.3%。