题目内容
【题目】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下图所示：
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________________。
②第Ⅱ步反应为可逆反应。800℃时，若CO的起始浓度为2.0 mol·L－1，水蒸气的起始浓度为3.0 mol·L－1，达到化学平衡状态后，测得CO2的浓度为1.2 mol·L－1，则CO的平衡转化率为__________。
（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___________________，反应消耗1mol NaBH4时转移的电子数目为_______。
（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。
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=____________________（用含a、b的关系式表达）。
（4）一定条件下，如下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________；
A．正极 | B．负极 | C．阴极 | D．阳极 |
其电极反应方程为：________________________。
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_________。由表中数据可知，此装置的电流效率η＝______________。[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]。
【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根据图像可得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 =" -136.5" kJ/mol ;②第Ⅱ步反应为可逆反应，根据图像可写出该反应的化学方程式为：第Ⅱ步反应为可逆反应，CO(g) + H2O(g)= H2(g)+CO2(g) △H =" -33.2" kJ/mol
起始浓度；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 CO的平衡转化率为1.2/2.0x100%=60%
(2)反应前后B元素的化合价不变，则反应前后B元素的化合价均是＋3价，因此反应前NaBH4中氢元素的化合价是－1价。水中氢元素的化合价是＋1价，因此反应中还有氢气生成，则反应的化学方程式为NaBH4＋2H2O=NaBO2＋4H2↑。NaBH4中氢元素的化合价从－1价升高到0价，因此1molNaBH4在反应中失去4mol电子，其数目是4NA或2.408×1024。
(3)平衡时苯的浓度是b mol/L，则根据反应的方程式可知消耗环戊烷的浓度是b mol/L，生成氢气的浓度是3 b mol/L，，平衡时环戊烷的浓度为（a－b）mol/L。由于化学平衡常数是在一定条件下，当可逆反应达到平衡状态时，生成物浓度的幂之积和反应物浓度的幂之积的比值，则该温度下反应的平衡常数为
＝
mol3/L3。
（4）①苯生成环戊烷属于得氢反应，因此实现有机物储氢的电极是阴极；苯得到电子生成环戊烷是目标产物，由于存在质子交换膜，所以氢离子向阴极移动，则电极反应式为C6H6＋6H＋＋6e－＝C6H12。
②阴极除了目标产物，还可能发生氢离子得电子生成氢气的电极反应，所以这种气体是氢气；阳极生成2.8mol气体，该气体应该是阳极OH－放电生成的氧气，则转移电子的物质的量＝2.8mol×4＝11.2mol。设阴极消耗苯的物质的量是xmol，则同时生成 xmol环戊烷，根据电极反应式C6H6＋6H＋＋6e－＝C6H12可知得到电子是6xmol，根据电子守恒可知，阴极生成氢气是
＝5.6mol－3xmol，所以
＝0.1，解得x＝1.2，因此储氢装置的电流效率＝
×100%＝64.3%。
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