Question

近來，制備和利用氫氣這一清潔能源已有多項成果．
（1）德國克萊斯公司成功研制了利用甲醇（CH₃OH）車載制氫燃料電池工藝，其原理如圖所示，請觀察此圖回答：

①燃料電池的正極反應式為

 

；
②甲醇與流程圖中任一反應物反應制取氫氣的化學方程式

 

．
（2）美國Bay等工廠使用石油熱裂解的副產物甲烷來制取氫氣，其生產流程如圖：

①此流程的第Ⅱ步反應為：CO（g）+H₂O（g）?H₂（g）+CO₂（g），該反應的化學平衡常數表達式為K=

 

；
②此流程的第Ⅱ步反應的平衡常數隨溫度的變化如表1，在830℃，以表2的物質的量（單位為mol）投入恒容反應器發生上述反應，其中反應開始時，向正反應方向進行的有

 

（填實驗編號）；
表1

溫度/℃	400	500	830	1000
平衡常數K	10	9	1	0.6

表2

實驗編號	n（CO）	n（H2O）	n（H2）	n（CO2）
A	1	5	2	3
B	2	2	1	1
C	3	3	0	0
D	0.5	2	1	1

③若400℃時，第Ⅱ步反應生成1 mol氫氣的熱效應值為33.2（單位為kJ），第1步反應的熱化學方程式為：
CH₄（g）+H₂O（g）═3H₂（g）+CO（g）△H=-103.3kJ?mol^-1
則400℃時，甲烷和水蒸氣反應生成二氧化碳和氫氣的熱化學方程式為

 

．
（3）我國科學家研究了常溫下利用Pt等催化劑在可見光作用下使水分解制氫氣的方法，如圖是三種催化劑在光照分解水實驗中的效果比較圖．能得出如圖結果的實驗方案是

 

．

Answer 1

分析：（1）①原電池正極上氧氣得電子發生還原反應；
②甲醇可以和水反應生成氫氣，也可以和氧氣反應放出氫氣；
（2）①根據反應方程式和平衡常數的含義書寫平衡常數表達式；
②已知830℃時的平衡常數為1，根據表中數據求出濃度商，再與K比較，若濃度商大于K，則逆向移動，若濃度商小于K，則正向移動；
③根據已知熱化學方程式和利用蓋斯定律計算書寫；
（3）控制其它條件相同，改變催化劑．

解答：解：（1）①原電池正極上氧氣得電子發生還原反應，生成氫氧根離子，其電極反應式為：O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-，
故答案為：O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-；
②甲醇可以和水反應生成氫氣，也可以和氧氣反應放出氫氣，其反應的化學方程式為：CH₃OH+H₂O=CO₂+3H₂或2CH₃OH+O₂=2CO₂+4H₂，
故答案為：CH₃OH+H₂O=CO₂+3H₂或2CH₃OH+O₂=2CO₂+4H₂；
（2）①已知CO（g）+H₂O（g）?H₂（g）+CO₂（g），則化學平衡常數K=

c(H2)?c(CO2)

c(CO)?c(H2O)

；故答案為：

c(H2)?c(CO2)

c(CO)?c(H2O)

；
②A、Q_A=

c(H2)?c(CO2)

c(CO)?c(H2O)

=

3×2

5×1

=1.2＞1=K，所以反應向逆方向進行，故A不符合；
B、Q_B=

c(H2)?c(CO2)

c(CO)?c(H2O)

=

1×1

2×2

=0.25＜1=K，反應未達到平衡，所以反應向正方向進行，故B符合；
C、Q_C=

c(H2)?c(CO2)

c(CO)?c(H2O)

=0＜1=K，反應未達到平衡，所以反應向正方向進行，故C符合；
D、Q_D=

c(H2)?c(CO2)

c(CO)?c(H2O)

=

1×1

2×0.5

=1，反應處于平衡狀態，故D不符合；
故答案為：BC；
③由題意知CO（g）+H₂O（g）=H₂（g）+CO₂（g）△H=-33.2 kJ?mol^-1
又有CH₄（g）+H₂O（g）=3H₂（g）+CO（g）△H=-103.3 kJ?mol^-1
兩方程式相加得CH₄（g）+2H₂O（g）=CO₂（g）+4H₂（g）△H=-136.5 kJ?mol^-1，
故答案為：CH₄（g）+2H₂O（g）=CO₂（g）+4H₂（g）△H=-136.5kJ?mol^-1；
（3）比較不同催化劑的催化效果需要其他條件相同，然后每小時測定一次不同催化劑分解水產生氫氣的體積，記錄數據，作圖分析；
故答案為：控制其他條件不變，每小時測定一次不同催化劑分解水產生氫氣的體積，記錄數據，作圖分析．

點評：本題考查了電極方程式的書寫，化學方程式的書寫，反應方向的判斷，熱化學方程式的書寫等；屬于反應原理的應用的考查，題目難度中等；注意對反應原理的歸納整理，熟練掌握有關的原理是解題的關鍵．