Question

【題目】氫能源是最具應用前景的能源之一，高純氫的制備是目前的研究熱點。

（1）甲烷水蒸氣催化重整是制高純氫的方法之一。

①反應器中初始反應的生成物為H2和CO2，其物質的量之比為4∶1，甲烷和水蒸氣反應的方程式是______________。

②已知反應器中還存在如下反應：

i.CH4(g)+H2O(g)=CO(g)+3H2(g) ΔH1

ii.CO(g)+H2O(g)=CO2(g)+H2(g) ΔH2

iii.CH4(g)=C(s)+2H2(g) ΔH3

……

iii為積炭反應，利用ΔH1和ΔH2計算ΔH3時，還需要利用__________反應的ΔH。

③反應物投料比采用n（H2O）∶n（CH4）=4∶1，大于初始反應的化學計量數之比，目的是________________（選填字母序號）。

a.促進CH4轉化 b.促進CO轉化為CO2 c.減少積炭生成

④用CaO可以去除CO2。H2體積分數和CaO消耗率隨時間變化關系如下圖所示。從t1時開始，H2體積分數顯著降低，單位時間CaO消耗率_______（填“升高”“降低”或“不變”）。此時CaO消耗率約為35%，但已失效，結合化學方程式解釋原因：____________________________。

（2）可利用太陽能光伏電池電解水制高純氫，工作示意圖如下。通過控制開關連接K1或K2，可交替得到H2和O2。

①制H2時，連接_______________。

產生H2的電極反應式是_______________。

②改變開關連接方式，可得O2。

③結合①和②中電極3的電極反應式，說明電極3的作用：________________________。

Answer 1

【答案】CH4 + 2H2O= 4H2 + CO2 C(s)+CO2(g)=2CO(g) abc 降低 H2體積分數在t1之后較少，結合CaO+H2O=Ca(OH)2可知水蒸氣濃度較小，反應器內反應逆向反應，氧化鈣很難和CO2反應，因而失效 K1 2H2O+2e-=H2↑+2OH- 連接K1或K2時，電極3分別作為陽極材料和陰極材料，并且NiOOH和Ni(OH)2相互轉化提供電子轉移

【解析】

（1）①由于生成物為H2和CO2，其物質的量之比為4：1，反應物是甲烷和水蒸氣，因而反應方程式為CH4 + 2H2O= 4H2 + CO2；

②ⅰ-ⅱ可得CH4(g)+CO2(g)=2CO(g)+2H2(g),設為ⅳ，用ⅳ-�？傻�C(s)+CO2(g)=2CO(g)，因為還需利用C(s)+CO2(g)=2CO(g)反應的焓變；

③初始反應n(H2O):n(CH4)=2：1，說明加入的水蒸氣過量，又反應器中反應都存在一定可逆性，根據反應ⅰ知水蒸氣濃度越大，甲烷的轉化率越高，a正確；根據反應ⅱ知水蒸氣濃度越大，CO的轉化率越高，b正確；ⅰ和ⅱ產生氫氣，使得氫氣濃度變大，抑制反應ⅲ，積炭生成量減少，c正確；

④t1時CaO消耗率曲線斜率減小，因而單位時間內CaO的消耗率降低，H2體積分數在t1之后較少，結合CaO+H2O=Ca(OH)2可知水蒸氣濃度較小，反應器內反應逆向反應，氧化鈣很難和CO2反應，因而失效

（2）①電極生成H2時，根據電極放電規律可知H+得到電子變為氫氣，因而電極須連接負極，因而制H2時，連接K1，該電池在堿性溶液中，由H2O提供H+，電極反應式為2H2O+2e-=H2↑+2OH-；

③電極3上NiOOH和Ni(OH)2相互轉化，其反應式為NiOOH+e-+H2ONi(OH)2+OH-，當連接K1時，Ni(OH)2失去電子變為NiOOH，當連接K2時，NiOOH得到電子變為Ni(OH)2，因而作用是連接K1或K2時，電極3分別作為陽極材料和陰極材料，并且NiOOH和Ni(OH)2相互轉化提供電子轉移。