Question

氢能是发展中的新能源，它的利用包括氢的制备、储存和应用三个环节。回答下列问题：

（1）与汽油相比，氢气作为燃料的优点是_________（至少答出两点）。但是氢气直接燃烧的能量转换率远低于燃料电池，写出碱性氢氧燃料电池的负极反应式：____________。

（2）以甲烷为原料可制得氢气。图1是一定温度、压强下，CH₄(g)与H₂O(g)反应生成CO(g)和1mol H₂(g)的能量（KJ）变化示意图，写出该反应的热化学方程式_______________(△H用E₁、E₂、E₃表示)。

（3）在恒温恒容的密闭容器中，某储氢反应：MHx(s)+yH₂(g)MHx+2y(s) ΔH<0达到化学平衡。下列有关叙述正确的是________。

A．容器内气体压强保持不变

B．吸收y mol H₂只需1 mol MHx

C．若降温，该反应的平衡常数增大

D．若向容器内通入少量氢气，则v(放氢)>v(吸氢)

（4）化工生产的副产氢也是氢气的来源。电解法制取有广泛用途的Na₂FeO₄，同时获得氢气：Fe+2H₂O+2OH^-FeO₄^2-+3H₂↑，工作原理如图1所示。装置通电后，铁电极附近生成紫红色的FeO₄^2-，镍电极有气泡产生。若氢氧化钠溶液浓度过高，铁电极区会产生红褐色物质。已知：Na₂FeO₄只在强碱性条件下稳定，易被H₂还原。

①电解一段时间后，c(OH^-)降低的区域在__________(填“阴极室”或“阳极室”)。

②电解过程中，须将阴极产生的气体及时排出，其原因是_____________。

③c(Na₂FeO₄)随初始c(NaOH)的变化如图2，分析N点c( Na₂FeO₄)低于最高值的原因：_____________。

（5）在容积可变的密闭容器中充入10molCO和20molH₂，发生CO ( g ) + 2H₂ ( g )CH₃OH ( g ) △H<0, CO 的平衡转化率随温度（T）、压强（P）的变化如图所示，当达到平衡状态A 时，容器的体积为1 L。若反应开始时仍充入10mol CO 和20mol H₂，则在平衡状态B时容器的体积V（B）=            L。

Answer

（1）污染小；可再生；来源广；资源丰富；燃烧热值高（任写其中2个）（2分）；

H2+2OH-+2e-=2H2O（2分）（2）CH4（g）+H2O（g）═CO（g）+3H2（g） △H=3（E2-E1）kJ·mol-1

（3）ac(2分) （4）①阳极室(1分) ②防止Na2FeO4与H2反应使产率降低 （1分）

③N点：c(OH)过高，铁电极上有氢氧化铁生成，使Na2FeO4产率降低。（2分） （5）0.2L（2分）

【解析】

试题分析：（1）与汽油相比，氢气作为燃料的优点有污染小；可再生；来源广；资源丰富；燃烧热值高等，碱性氢氧燃料电池的负极反应式为H2+2OH--2e-=2H2O；

（2）根据图像可知生成物总能量高于反应物总能量，反应是吸热反应，则热化学方程式为 CH4（g）+H2O（g）═CO（g）+3H2（g） △H=3（E2-E1）kJ·mol-1。

（3）MHx(s)+yH2(g)MHx+2y(s) ΔH<0，该反应属于气体的物质的量发生变化的反应。A．平衡时气体的物质的量不变，压强不变，正确；B．该反应为可逆反应，吸收y mol H2需要大于1 mol 的MHx，错误；C．降低温度，平衡向正反应方向移动，平衡常数增大，正确；D．向容器内通入少量氢气，相当于增大压强，平衡正向移动，v(放氢)＜v(吸氢)，错误；答案选ac；

（4）①根据题意镍电极有气泡产生是氢离子放电生成氢气，铁电极发生氧化反应，溶液中的氢氧根离子减少，因此电解一段时间后，c(OH−)降低的区域在阳极室；

②氢气具有还原性，根据题意Na2FeO4只在强碱性条件下稳定，易被H2还原。电解过程中，须将阴极产生的气体及时排出，防止Na2FeO4与H2反应使产率降低；

③根据题意Na2FeO4只在强碱性条件下稳定，在M点，c(OH-)低，Na2FeO4稳定性差，且反应慢，在N点：c(OH-)过高，铁电极上有氢氧化铁生成，使Na2FeO4产率降低。

（5）当达到平衡状态A 时，CO转化率是0.5，则消耗CO是5mol，氢气是10mol，生成甲醇是5mol，剩余CO和氢气分别是5mol、10mol，则该温度下平衡常数K＝；平衡状态B时CO中的转化率是0.8，则消耗CO是8mol，氢气是16mol，生成甲醇是8mol，剩余CO和氢气分别是2mol、4mol，则，解得V＝0.2L，即在平衡状态B时容器的体积V（B）=0.2L。

【考点定位】考查化学反应中的能量变化、电解原理及其应用以及平衡常数应用等

【名师点晴】本题考查的知识点较多，以氢气利用为线索考查了化学反应中的能量变化、电解原理及其应用、化学平衡的移动及其影响因素等相关知识。在书写燃料电池电极反应时，要注意掌握一般的书写方法：①电极反应是一种离子反应，遵循书写离子反应的所有规则；②将两极反应的电子得失数配平后，相加得到总反应，总反应减去一极反应即得到另一极反应；③负极失电子所得氧化产物和正极得电子所得还原产物，与溶液的酸碱性有关(如+4价的C在酸性溶液中以CO2形式存在，在碱性溶液中以CO32-形式存在)；④溶液中不存在O2-：在酸性溶液中它与H+结合成H2O、在碱性或中性溶液中它与水结合成OH-。本题的易错点和难点是c(Na2FeO4)低于最高值的原因分析。分析时，要注意从题目中寻找线索并结合反应的特征分析。