Question

【題目】氫氣的制取與儲存是氫能源利用領域的研究熱點。回答下列問題:

（1）直接熱分解法制氫

某溫度下，2H2O(g)2H2(g)+O2(g)，該反應的平衡常數表達式為K=______。

（2）乙醇水蒸氣重整制氫

反應過程和反應的平衡常數(K)隨溫度(T)的變化曲線如圖1所示。某溫度下，圖1所示反應每生成1molH2(g)，熱量變化是62kJ，則該反應的熱化學方程式為_____________。

（3）水煤氣法制氫

CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g) △H<0

在進氣比[n(CO):n(H2O)]不同時，測得相應的CO的平衡轉化率見圖2(圖中各點對應的反應溫度可能相同，也可能不同)。

①向2L恒溫恒容密閉容器中加入一定量的CO和0.1molH2O(g)，在圖中G點對應溫度下，反應經5min達到平衡，則平均反應速率v(CO)=________。

②圖中B、E兩點對應的反應溫度分別為TB和TE，則TB_____TE(填“>”“<”或“=”)。

③經分析，A、E、G三點對應的反應溫度都相同(均為T℃)，其原因是A、E、G三點對應的_________相同。

④當T℃時，若向一容積可變的密閉容器中同時充入3.0molCO、1.0molH2O(g)、1.0molCO2和x molH2，為使上述反應開始時向正反應方向進行，則x應滿足的條件是______。

（4）光電化學分解制氫

反應原理如圖3，鈦酸鍶光電極的電極反應式為4OH-－4e－＝O2↑＋2H2O，則鉑電極的電極反應式為________________。

（5）Mg2Cu是一種儲氫合金。350℃時，Mg2Cu與H2反應，生成MgCu2和僅含一種金屬元素的氫化物(其中氫的質量分數約為7.7%)。該反應的化學方程式為______________。

Answer 1

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

【解析】（1）反應的平衡常數為生成濃度的系數次方相乘，再除以反應物濃度的系數次方相乘，所以表達式為： 。

（2）由圖1所示，隨溫度升高，反應的K值增大，說明該反應為吸熱反應。圖示方程式為：CH3CH2OH(g)+H2O(g)4H2(g)+2CO(g)，每生成1molH2(g)，熱量變化（吸熱）是62kJ，所以熱化學方程式為：CH3CH2OH(g)+H2O(g)4H2(g)+2CO(g)△H=+248kJ/mol

（3）①圖中G點的n(CO):n(H2O)=1.5，所以加入的CO為0.15mol，達平衡時，CO的轉化率為40%，所以反應的CO為0.06mol，除以容器體積和反應時間，得到v(CO)= 0.006mol·L-l·min-1。

②如果B、E同溫，則B→E的過程中，隨著n(CO):n(H2O)由0.5變為1，則CO的轉化率應該降低，但是B、E兩點的轉化率相等，說明溫度的變化使E的轉化率升高了，所以由B→E應該是降溫（反應放熱，降溫平衡正向移動），即TB＞TE。

③以G點為例，n(CO):n(H2O)=1.5，CO的轉化率為40%，有以下計算結果：

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

起始： 3 2 0 0

反應： 1.2 1.2 1.2 1.2

平衡： 1.8 0.8 1.2 1.2

所以反應的K=(1.2×1.2)÷(1.8×0.8)=1。重復如上計算，可以得到A點和E點的平衡常數也是1，所以三點的溫度相同。

④由③的計算結果，該溫度下平衡常數為1，按照題目的量加入容器，反應的Q值為：(1×x)÷(1×3)=x/3，為保證平衡正向移動，要求Q小于K，所以x/3＜1，即x＜3，反應為：0≤x<3。

（4）由圖示在Pt電極上應該發生得電子的還原反應，溶液中也只可能是水電離的氫離子得電子，所以方程式為：2H2O+2e-=H2↑+2OH-。

（5）350℃時，Mg2Cu與H2反應，生成MgCu2和僅含一種金屬元素的氫化物，因為Mg2Cu→MgCu2的過程中Mg:Cu在減小，所以生成的含一種金屬元素的氫化物一定是Mg的氫化物。設該氫化物為MgHX，有x/(24+x)=7.7%，所以x=2。由上，方程式為：。