Question

12．氢气是一种清洁能源．制氢和储氢作为氢能利用的关键技术，是当前科学家主要关注的热点问题．

（1）用甲烷制取氢气的两步反应的能量变化如1图所示：
①甲烷和水蒸气反应生成二氧化碳和氢气的热化学方程式是CH₄（g）+2H₂O（g）=4H₂（g）+CO₂（g）△H=-136.5kJ/mol．
②第Ⅱ步反应为可逆反应．800℃时，若CO的起始浓度为2.0mol•L^-1，水蒸气的起始浓度为3.0mol•L^-1，达到化学平衡状态后，测得CO₂的浓度为1.2mol•L^-1，则CO的平衡转化率为60%．
（2）NaBH₄是一种重要的储氢载体，能与水反应生成NaBO₂，且反应前后B元素的化合价不变，该反应的化学方程式为NaBH₄+2H₂O=NaBO₂+4H₂↑，反应消耗1mol NaBH₄时转移的电子数目为4N_A或2.408×10²⁴．
（3）储氢还可借助有机物，如利用环已烷和苯之间的可逆反应来实现脱氢和加氢．
$?_{高温}^{FeSO_{4}/Al_{2}O_{3}}$+3H₂（g）
在某温度下，向恒容容器中加入环已烷，其起始浓度为a mol•L^-1，平衡时苯的浓度为b mol•L^-1，该反应的平衡常数K=$\frac{27{b}^{4}}{a-b}$（用含a、b的关系式表达）．
（4）一定条件下，如2图所示装置可实现有机物的电化学储氢（除目标产物外，近似认为无其它有机物生成）．
①实现有机物储氢的电极是C；
A．正极   B．负极   C．阴极   D．阳极
其电极反应方程为：C₆H₆+6H⁺+6e^-=C₆H₁₂．
②该储氢装置的电流效率η明显小于100%，其主要原因是相关电极除目标产物外，还有一种单质气体生成，这种气体是H₂．由表中数据可知，此装置的电流效率η=64.3%．[η=（生成目标产物消耗的电子数/转移的电子总数）×100%，计算结果保留小数点后1位]．

Answer 1

分析 （1）①根据盖斯定律来计算反应的焓变，根据热化学方程式的书写规律来书写热化学方程式；
②根据化学平衡“三行式”来计算转化率；
（2）NaBH₄与水反应生成NaBO₂，且反应前后B的化合价不变，H元素化合价由-1价、+1价变为0价，再结合转移电子守恒配平方程式，根据NaBH₄和转移电子之间的关系式计算；
（3）化学平衡常数K=$\frac{c（{C}_{6}{H}_{6}）．{c}^{3}（{H}_{2}）}{c（{C}_{6}{H}_{12}）}$；
（4）①活泼的氢发生氧化反应，是负极；
②该实验的目的是储氢，所以阴极上发生的反应为生产目标产物，阴极上苯得电子和氢离子生成环己烷；阳极上生成氧气，同时生成氢离子，阴极上苯得电子和氢离子反应生成环己烷，苯参加反应需要电子的物质的量与总转移电子的物质的量之比就是电流效率η．

解答 解：（1）①根据第一步反应过程可以得出：CH₄（g）+H₂O（g）=3H₂（g）+CO（g），△H=-103.3KJ/mol；
根据第二步反应过程可以得出：CO（g）+H₂O（g）=H₂（g）+CO₂（g），△H=-33.2KJ/mol；
根据盖斯定律，上下两式相加可得：CH₄（g）+2H₂O（g）=4H₂（g）+CO₂（g）△H=-136.5 kJ/mol，故答案为：CH₄（g）+2H₂O（g）=4H₂（g）+CO₂（g）△H=-136.5 kJ/mol；
②设CO的平衡转化量为x，
           CO（g）+H₂O（g）=H₂（g）+CO₂（g）
初始浓度：2.0    3.0       0      0
变化浓度：1.2     1.2       1.2   1.2
平衡浓度：0.8    1.8        1.2   1.2
 则CO的平衡转化率为$\frac{1.2mol/L}{2.0mol/L}$×100%=60%，故答案为：60%；
（2）NaBH₄与水反应生成NaBO₂，且反应前后B的化合价不变，NaBO₂中B元素化合价为+3价，所以NaBH₄中H元素的化合价为-1价，所以H元素化合价由-1价、+1价变为0价，再结合转移电子守恒配平方程式为NaBH₄+2H₂O=NaBO₂+4H₂↑，反应消耗1mol NaBH₄时转移的物质的量=1mol×4×（1-0）=4mol，所以转移电子数为4N_A或2.408×10²⁴，故答案为：NaBH₄+2H₂O=NaBO₂+4H₂↑；4N_A或2.408×10²⁴；
（3）环己烷的起始浓度为amol•L^-1，平衡时苯的浓度为bmol•L^-1，同一容器中各物质反应的物质的量浓度之比等于其计量数之比，所以根据方程式知，环己烷的平衡浓度为（a-b）mol/L，氢气的浓度为3bmol/L，则平衡常数K=$\frac{c（{C}_{6}{H}_{6}）．{c}^{3}（{H}_{2}）}{c（{C}_{6}{H}_{12}）}$mol³•L^-3=$\frac{b×（3b）^{3}}{（a-b）}$=$\frac{27{b}^{4}}{a-b}$mol³•L^-3，
故答案为：$\frac{27{b}^{4}}{a-b}$mol³•L^-3；
（4）①活泼的氢发生氧化反应，是负极，该实验的目的是储氢，所以阴极上发生的反应为生产目标产物，阴极上苯得电子和氢离子生成环己烷，电极反应式为C₆H₆+6H⁺+6e^-=C₆H₁₂，故答案为：C；C₆H₆+6H⁺+6e^-=C₆H₁₂；
②阳极上氢氧根离子放电生成氧气，阳极上生成2.8mol氧气转移电子的物质的量=2.8mol×4=11.2mol，
生成1mol氧气时生成2mol氢气，则生成2.8mol氧气时同时生成5.6mol氢气，
设参加反应的苯的物质的量是xmol，参加反应的氢气的物质的量是3xmol，剩余苯的物质的量为10mol×24%-xmol，反应后苯的含量=$\frac{10mol×24%-x}{10mol-3xmol+5.6mol}$=10%，
x=1.2，苯转化为环己烷转移电子的物质的量为1.2mol×6=7.2mol，则$\frac{7.2mol}{11.2mol}$×100%=64.3%，
故答案为：H₂，64.3%．

点评 本题考查了化学平衡、电解池原理等知识点，根据化学平衡常数表达式、电解原理等知识点来分析解答，难点是（4）③，注意：10mol×（24%-10%）不是参加反应的苯的物质的量，为易错点．