Question

【題目】目前，我國的能源結構主要是煤，還有石油、天然氣等化石燃料，這些都是不可再生且污染環境的能源，研究和開發清潔而又用之不竭的能源是未來發展的重要任務。科學家預測“氫能”將是21世紀最理想的新能源之一。

（1）某學生查閱大量資料，提出下列“用水制取氫氣的研究方向”：

①在水不發生化學反應的情況下制取氫氣，同時釋放能量

②設法將太陽光聚焦，產生高溫，使水分解產生氫氣

③尋找高效催化劑，大力提高水在一定條件下分解產生氫氣的轉化率

④尋找特殊化學物質，以提高單位時間內水分解制取氫氣的產量

請你選擇上述研究方向中不正確的一項，并簡述其理由：不正確的一項是 ，理由是 。

（2）工業上用甲烷制取氫氣時發生的兩步反應的能量變化如下圖所示：

①第Ⅱ步反應為可逆反應，在此反應中，增加H2O(g)的濃度，CO的轉化率將 (填“增大”“減小”或“不變”)；該反應的平衡常數表達式為K= 。在800 ℃時，若CO的起始濃度為2.0 mol/L，水蒸氣的起始濃度為3.0 mol/L，達到化學平衡狀態后，測得CO2的濃度為1.2 mol/L，則此反應的平衡常數K= ，CO的平衡轉化率為 。

②甲烷和水蒸氣反應生成二氧化碳和氫氣的熱化學方程式是 。

（3）科學研究發現納米級的Cu2O可作為太陽光分解水的催化劑。取四份用不同方法制得的相同質量的Cu2O，在某同等條件下分別對四份相同質量的水催化分解，產生的氫氣經干燥后用針筒收集。V(H2)隨時間的變化如圖所示。下列敘述正確的是 。

A．用d法制得的Cu2O能使水劇烈分解并放出熱量

B．用d法制得的Cu2O顆粒最小，表面活性大，所以催化效果明顯

C．用c法、d法制得的Cu2O作催化劑，產生氫氣的總體積不同可能和水的蒸發有關

D．用a法、b法制得的Cu2O中可能含有較多的CuO雜質

Answer 1

【答案】（1）① 水分子中不含氫分子，不可能在不發生化學反應的情況下得到氫氣，且水分解是吸熱反應(或③ 催化劑不能使化學平衡發生移動，故不能提高水分解產生氫氣的轉化率)

（2）①增大 1 60%

②CH4(g)+2H2O(g)4H2(g)+CO2(g) ΔH=-136.5 kJ/mol

（3）BCD

【解析】（1）①、③的說法錯誤，可任選其一分析說明。

（2）①對第Ⅱ步反應，增加H2O(g)的濃度，可以提高另外一種反應物CO的轉化率。平衡時，c(CO)=0.8 mol/L，c(H2O)=1.8 mol/L，c(CO2)=c(H2)=1.2 mol/L，據此可求K和CO的平衡轉化率。②第 Ⅰ 步反應為：CH4(g)+H2O(g)3H2(g)+CO(g) ΔH=-103.3 kJ/mol。第 Ⅱ 步反應為：CO(g)+H2O(g)H2(g)+CO2(g) ΔH=-33.2 kJ/mol。將以上兩步反應相加得：CH4(g)+2H2O(g)4H2(g)+ CO2(g) ΔH=-136.5 kJ/mol。

（3）從圖上看，用c、d法制得的氧化亞銅催化效率較高。水分解是吸熱反應。