Question

【题目】氢气的制取与储存是氢能源利用领域的研究热点。回答下列问题:

（1）直接热分解法制氢

某温度下，2H2O(g)2H2(g)+O2(g)，该反应的平衡常数表达式为K=______。

（2）乙醇水蒸气重整制氢

反应过程和反应的平衡常数(K)随温度(T)的变化曲线如图1所示。某温度下，图1所示反应每生成1molH2(g)，热量变化是62kJ，则该反应的热化学方程式为_____________。

（3）水煤气法制氢

CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g) △H<0

在进气比[n(CO):n(H2O)]不同时，测得相应的CO的平衡转化率见图2(图中各点对应的反应温度可能相同，也可能不同)。

①向2L恒温恒容密闭容器中加入一定量的CO和0.1molH2O(g)，在图中G点对应温度下，反应经5min达到平衡，则平均反应速率v(CO)=________。

②图中B、E两点对应的反应温度分别为TB和TE，则TB_____TE(填“>”“<”或“=”)。

③经分析，A、E、G三点对应的反应温度都相同(均为T℃)，其原因是A、E、G三点对应的_________相同。

④当T℃时，若向一容积可变的密闭容器中同时充入3.0molCO、1.0molH2O(g)、1.0molCO2和x molH2，为使上述反应开始时向正反应方向进行，则x应满足的条件是______。

（4）光电化学分解制氢

反应原理如图3，钛酸锶光电极的电极反应式为4OH-－4e－＝O2↑＋2H2O，则铂电极的电极反应式为________________。

（5）Mg2Cu是一种储氢合金。350℃时，Mg2Cu与H2反应，生成MgCu2和仅含一种金属元素的氢化物(其中氢的质量分数约为7.7%)。该反应的化学方程式为______________。

Answer 1

【答案】 CH3CH2OH(g)+H2O(g)4H2(g)+2CO(g)△H=+248kJ/mol 0.006mol·L-l·min-1 > 化学平衡常数(或K) 0≤x<3 2H2O+2e-=H2↑+2OH-

【解析】（1）反应的平衡常数为生成浓度的系数次方相乘，再除以反应物浓度的系数次方相乘，所以表达式为： 。

（2）由图1所示，随温度升高，反应的K值增大，说明该反应为吸热反应。图示方程式为：CH3CH2OH(g)+H2O(g)4H2(g)+2CO(g)，每生成1molH2(g)，热量变化（吸热）是62kJ，所以热化学方程式为：CH3CH2OH(g)+H2O(g)4H2(g)+2CO(g)△H=+248kJ/mol

（3）①图中G点的n(CO):n(H2O)=1.5，所以加入的CO为0.15mol，达平衡时，CO的转化率为40%，所以反应的CO为0.06mol，除以容器体积和反应时间，得到v(CO)= 0.006mol·L-l·min-1。

②如果B、E同温，则B→E的过程中，随着n(CO):n(H2O)由0.5变为1，则CO的转化率应该降低，但是B、E两点的转化率相等，说明温度的变化使E的转化率升高了，所以由B→E应该是降温（反应放热，降温平衡正向移动），即TB＞TE。

③以G点为例，n(CO):n(H2O)=1.5，CO的转化率为40%，有以下计算结果：

CO(g) + H2O(g) CO2(g) + H2(g)

起始： 3 2 0 0

反应： 1.2 1.2 1.2 1.2

平衡： 1.8 0.8 1.2 1.2

所以反应的K=(1.2×1.2)÷(1.8×0.8)=1。重复如上计算，可以得到A点和E点的平衡常数也是1，所以三点的温度相同。

④由③的计算结果，该温度下平衡常数为1，按照题目的量加入容器，反应的Q值为：(1×x)÷(1×3)=x/3，为保证平衡正向移动，要求Q小于K，所以x/3＜1，即x＜3，反应为：0≤x<3。

（4）由图示在Pt电极上应该发生得电子的还原反应，溶液中也只可能是水电离的氢离子得电子，所以方程式为：2H2O+2e-=H2↑+2OH-。

（5）350℃时，Mg2Cu与H2反应，生成MgCu2和仅含一种金属元素的氢化物，因为Mg2Cu→MgCu2的过程中Mg:Cu在减小，所以生成的含一种金属元素的氢化物一定是Mg的氢化物。设该氢化物为MgHX，有x/(24+x)=7.7%，所以x=2。由上，方程式为：。