Question

【題目】氫能源是最具應(yīng)用前景的能源之一，高純氫的制備是目前的研究熱點(diǎn)。

（1）甲烷水蒸氣催化重整是制高純氫的方法之一。

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

②已知反應(yīng)器中還存在如下反應(yīng)：

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(yīng)，利用ΔH1和ΔH2計(jì)算ΔH3時(shí)，還需要利用__________反應(yīng)的ΔH。

③反應(yīng)物投料比采用n（H2O）∶n（CH4）=4∶1，大于初始反應(yīng)的化學(xué)計(jì)量數(shù)之比，目的是________________（選填字母序號(hào)）。

a.促進(jìn)CH4轉(zhuǎn)化 b.促進(jìn)CO轉(zhuǎn)化為CO2 c.減少積炭生成

④用CaO可以去除CO2。H2體積分?jǐn)?shù)和CaO消耗率隨時(shí)間變化關(guān)系如下圖所示。從t1時(shí)開(kāi)始，H2體積分?jǐn)?shù)顯著降低，單位時(shí)間CaO消耗率_______（填“升高”“降低”或“不變”）。此時(shí)CaO消耗率約為35%，但已失效，結(jié)合化學(xué)方程式解釋原因：____________________________。

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

①制H2時(shí)，連接_______________。

產(chǎn)生H2的電極反應(yīng)式是_______________。

②改變開(kāi)關(guān)連接方式，可得O2。

③結(jié)合①和②中電極3的電極反應(yīng)式，說(shuō)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?jǐn)?shù)在t1之后較少，結(jié)合CaO+H2O=Ca(OH)2可知水蒸氣濃度較小，反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)逆向反應(yīng)，氧化鈣很難和CO2反應(yīng)，因而失效 K1 2H2O+2e-=H2↑+2OH- 連接K1或K2時(shí)，電極3分別作為陽(yáng)極材料和陰極材料，并且NiOOH和Ni(OH)2相互轉(zhuǎn)化提供電子轉(zhuǎn)移

【解析】

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

②ⅰ-ⅱ可得CH4(g)+CO2(g)=2CO(g)+2H2(g),設(shè)為ⅳ，用ⅳ-�？傻�C(s)+CO2(g)=2CO(g)，因?yàn)檫�需利用C(s)+CO2(g)=2CO(g)反應(yīng)的焓變；

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

④t1時(shí)CaO消耗率曲線斜率減小，因而單位時(shí)間內(nèi)CaO的消耗率降低，H2體積分?jǐn)?shù)在t1之后較少，結(jié)合CaO+H2O=Ca(OH)2可知水蒸氣濃度較小，反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)逆向反應(yīng)，氧化鈣很難和CO2反應(yīng)，因而失效

（2）①電極生成H2時(shí)，根據(jù)電極放電規(guī)律可知H+得到電子變?yōu)闅錃猓�因而電極須連接負(fù)極，因而制H2時(shí)，連接K1，該電池在堿性溶液中，由H2O提供H+，電極反應(yīng)式為2H2O+2e-=H2↑+2OH-；

③電極3上NiOOH和Ni(OH)2相互轉(zhuǎn)化，其反應(yīng)式為NiOOH+e-+H2ONi(OH)2+OH-，當(dāng)連接K1時(shí)，Ni(OH)2失去電子變?yōu)?/span>NiOOH，當(dāng)連接K2時(shí)，NiOOH得到電子變?yōu)?/span>Ni(OH)2，因而作用是連接K1或K2時(shí)，電極3分別作為陽(yáng)極材料和陰極材料，并且NiOOH和Ni(OH)2相互轉(zhuǎn)化提供電子轉(zhuǎn)移。