Question

近来，制备和利用氢气这一清洁能源已有多项成果．
（1）德国克莱斯公司成功研制了利用甲醇（CH₃OH）车载制氢燃料电池工艺，其原理如图所示，请观察此图回答：

①燃料电池的正极反应式为

 

；
②甲醇与流程图中任一反应物反应制取氢气的化学方程式

 

．
（2）美国Bay等工厂使用石油热裂解的副产物甲烷来制取氢气，其生产流程如图：

①此流程的第Ⅱ步反应为：CO（g）+H₂O（g）?H₂（g）+CO₂（g），该反应的化学平衡常数表达式为K=

 

；
②此流程的第Ⅱ步反应的平衡常数随温度的变化如表1，在830℃，以表2的物质的量（单位为mol）投入恒容反应器发生上述反应，其中反应开始时，向正反应方向进行的有

 

（填实验编号）；
表1

温度/℃	400	500	830	1000
平衡常数K	10	9	1	0.6

表2

实验编号	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℃时，第Ⅱ步反应生成1 mol氢气的热效应值为33.2（单位为kJ），第1步反应的热化学方程式为：
CH₄（g）+H₂O（g）═3H₂（g）+CO（g）△H=-103.3kJ?mol^-1
则400℃时，甲烷和水蒸气反应生成二氧化碳和氢气的热化学方程式为

 

．
（3）我国科学家研究了常温下利用Pt等催化剂在可见光作用下使水分解制氢气的方法，如图是三种催化剂在光照分解水实验中的效果比较图．能得出如图结果的实验方案是

 

．

Answer 1

分析：（1）①原电池正极上氧气得电子发生还原反应；
②甲醇可以和水反应生成氢气，也可以和氧气反应放出氢气；
（2）①根据反应方程式和平衡常数的含义书写平衡常数表达式；
②已知830℃时的平衡常数为1，根据表中数据求出浓度商，再与K比较，若浓度商大于K，则逆向移动，若浓度商小于K，则正向移动；
③根据已知热化学方程式和利用盖斯定律计算书写；
（3）控制其它条件相同，改变催化剂．

解答：解：（1）①原电池正极上氧气得电子发生还原反应，生成氢氧根离子，其电极反应式为：O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-，
故答案为：O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-；
②甲醇可以和水反应生成氢气，也可以和氧气反应放出氢气，其反应的化学方程式为：CH₃OH+H₂O=CO₂+3H₂或2CH₃OH+O₂=2CO₂+4H₂，
故答案为：CH₃OH+H₂O=CO₂+3H₂或2CH₃OH+O₂=2CO₂+4H₂；
（2）①已知CO（g）+H₂O（g）?H₂（g）+CO₂（g），则化学平衡常数K=

c(H2)?c(CO2)

c(CO)?c(H2O)

；故答案为：

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，所以反应向逆方向进行，故A不符合；
B、Q_B=

c(H2)?c(CO2)

c(CO)?c(H2O)

=

1×1

2×2

=0.25＜1=K，反应未达到平衡，所以反应向正方向进行，故B符合；
C、Q_C=

c(H2)?c(CO2)

c(CO)?c(H2O)

=0＜1=K，反应未达到平衡，所以反应向正方向进行，故C符合；
D、Q_D=

c(H2)?c(CO2)

c(CO)?c(H2O)

=

1×1

2×0.5

=1，反应处于平衡状态，故D不符合；
故答案为：BC；
③由题意知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
两方程式相加得CH₄（g）+2H₂O（g）=CO₂（g）+4H₂（g）△H=-136.5 kJ?mol^-1，
故答案为：CH₄（g）+2H₂O（g）=CO₂（g）+4H₂（g）△H=-136.5kJ?mol^-1；
（3）比较不同催化剂的催化效果需要其他条件相同，然后每小时测定一次不同催化剂分解水产生氢气的体积，记录数据，作图分析；
故答案为：控制其他条件不变，每小时测定一次不同催化剂分解水产生氢气的体积，记录数据，作图分析．

点评：本题考查了电极方程式的书写，化学方程式的书写，反应方向的判断，热化学方程式的书写等；属于反应原理的应用的考查，题目难度中等；注意对反应原理的归纳整理，熟练掌握有关的原理是解题的关键．