Question

1．氢能是发展中的新能源，它的利用包括氢的制备、储存和应用三个环节．回答下列问题：

（1）与汽油相比，氢气作为燃料的优点是污染小、可再生、来源广、资源丰富、燃烧热值高（至少答出两点）．但是氢气直接燃烧的能量转换率远低于燃料电池，写出碱性氢氧燃料电池的负极反应式：H₂+2OH^--2e^-=2H₂O．
（2）以甲烷为原料可制得氢气．图1是一定温度、压强下，CH₄（g）与H₂O（g）反应生成CO（g）和1mol H₂（g）的能量（KJ）变化示意图，写出该反应的热化学方程式CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）△H=3（E₂-E₁）（△H用E₁、E₂、E₃表示）．
（3）在恒温恒容的密闭容器中，某储氢反应：MHx（s）+yH₂（g）?MH_x+2y（s）△H＜0达到化学平衡．下列有关叙述正确的是ac．
a．容器内气体压强保持不变
b．吸收y mol H₂只需1mol MH_x
c．若降温，该反应的平衡常数增大
d．若向容器内通入少量氢气，则v（放氢）＞v（吸氢）
（4）化工生产的副产氢也是氢气的来源．电解法制取有广泛用途的Na₂FeO₄，同时获得氢气：Fe+2H₂O+2OH^-$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$FeO₄^2-+3H₂↑，工作原理如图2所示．装置通电后，铁电极附近生成紫红色的FeO₄^2-，镍电极有气泡产生．若氢氧化钠溶液浓度过高，铁电极区会产生红褐色物质．已知：Na₂FeO₄只在强碱性条件下稳定，易被H₂还原．   
①电解一段时间后，c（OH^-）降低的区域在阳极室（填“阴极室”或“阳极室”）．
②电解过程中，须将阴极产生的气体及时排出，其原因是防止Na₂FeO₄与H₂反应使产率降低．
③c（ Na₂FeO₄）随初始c（NaOH）的变化如图3，分析N点c（ Na₂FeO₄）低于最高值的原因：N点：c（OH）过高，铁电极上有氢氧化铁生成，使Na2FeO4产率降低．
（5）在容积可变的密闭容器中充入10molCO和20molH₂，发生CO （ g ）+2H₂ （ g ）?CH₃OH （ g ）△H＜0，CO 的平衡转化率随温度（T）、压强（P）的变化如图4所示，当达到平衡状态A 时，容器的体积为1L．若反应开始时仍充入10mol CO 和20mol H₂，则在平衡状态B时容器的体积V（B）=0.2L．

Answer 1

分析 （1）与汽油相比，氢气作为燃料的优点有污染小、可再生、来源广、资源丰富、燃烧热值高等；碱性氢氧燃料电池的负极反应式为H₂+2OH^--2e^-=2H₂O；
（2）根据图示信息，反应物的能量低于产物的能量，所以反应是吸热反应，反应热等于产物的能量和反应物的能量之差；
（3）MH_x（s）+yH₂（g）?MH_x+2y（s）△H＜0，该反应属于气体的物质的量发生变化的反应，a．平衡时气体的物质的量不变，容器内气体压强保持不变；b．该反应为可逆反应，不能完全转化，吸收ymol H₂需大于1mol MH_x；c．若降温，平衡正向移动，该反应的平衡常数增大；d．若向容器内通入少量氢气，相当于增大压强，平衡正向移动，则v（放氢）＜v（吸氢）；
（4）①根据题意镍电极有气泡产生是氢离子放电生成氢气，铁电极发生氧化反应，溶液中的氢氧根离子减少；
②氢气具有还原性，根据题意Na₂FeO₄只在强碱性条件下稳定，易被H₂还原．电解过程中，须将阴极产生的气体及时排出，防止Na₂FeO₄与H₂反应使产率降低；
③根据题意Na₂FeO₄只在强碱性条件下稳定，在M点，c（OH^-）低，Na₂FeO₄稳定性差，且反应慢，在N点：c（OH^-）过高，铁电极上有氢氧化铁生成，使Na₂FeO₄产率降低；
（5）A、B反应温度相等，则平衡常数相等，利用平衡常数计算．

解答 解：（1）与汽油相比，氢气作为燃料的优点有污染小、可再生、来源广、资源丰富、燃烧热值高等；碱性氢氧燃料电池的负极反应式为H₂+2OH^--2e^-=2H₂O，
故答案为：污染小、可再生、来源广、资源丰富、燃烧热值高；H₂+2OH^--2e^-=2H₂O；
（2）根据图示信息，反应物的能量低于产物的能量，所以反应是吸热反应，反应热等于产物的能量和反应物的能量之差，即CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）△H=3（E₂-E₁），
故答案为：CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）△H=3（E₂-E₁）；
（3）MH_x（s）+yH₂（g）?MH_x+2y（s）△H＜0，该反应属于气体的物质的量发生变化的反应，a．平衡时气体的物质的量不变，容器内气体压强保持不变，正确；b．该反应为可逆反应，不能完全转化，吸收ymol H₂需大于1mol MH_x，错误；c．若降温，平衡正向移动，该反应的平衡常数增大，正确；d．若向容器内通入少量氢气，相当于增大压强，平衡正向移动，则v（放氢）＜v（吸氢），错误；
故选ac；
（4）①根据题意镍电极有气泡产生是氢离子放电生成氢气，铁电极发生氧化反应，溶液中的氢氧根离子减少，因此电解一段时间后，c（OH^-）降低的区域在阳极室，
故答案为：阳极室；
②氢气具有还原性，根据题意Na₂FeO₄只在强碱性条件下稳定，易被H₂还原．电解过程中，须将阴极产生的气体及时排出，防止Na₂FeO₄与H₂反应使产率降低，
故答案为：防止Na₂FeO₄与H₂反应使产率降低；
③根据题意Na₂FeO₄只在强碱性条件下稳定，在M点，c（OH^-）低，Na₂FeO₄稳定性差，且反应慢，在N点：c（OH^-）过高，铁电极上有氢氧化铁生成，使Na₂FeO₄产率降低，
故答案为：N点：c（OH）过高，铁电极上有氢氧化铁生成，使Na2FeO4产率降低；
（5）分析图象可知，A状态下CO的转化率为0.5，则CO转化了10mol×0.5=5mol，
                      CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH
起始物质的量：10            20               0
转化物质的量：5             10               5  
平衡物质的量：5             10               5
当达到平衡状态A时，容器的体积为20L．则平衡常数K=$\frac{5}{5×1{0}^{2}}$=0.01，
A、B两容器温度相同，即化学平衡常数相等，且B点时CO的转化率为0.8，
则            CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
起始（mol）：10     20         0
转化（mol）：8      16         8
平衡（mol）：2       4         8
设体积为VL，则有K=$\frac{\frac{8}{V}}{\frac{2}{V}×（\frac{4}{V}）^{2}}$=0.01，
V=0.2，
故答案为：0.2L．

点评 本题综合考查化学平衡计算、电解原理、影响化学平衡的因素等知识点，侧重考查学生分析、计算能力，正确分析图象及灵活运用化学反应原理是解本题关键，难点是电解池中电极反应式的书写．