Question

【题目】氢气是未来非常理想的能源，科学家最近研制出利用太阳能产生激光，并在二氧化钛(TiO2)表面作用使海水分解得到氢气的新技术：2H2O2H2+O2。制得的氢气可用于燃料电池、合成氨工业。回答下列问题：

(1)分解海水时，________能转变为________能。生成的氢气用于燃料电池时，________能转变为________能。

(2)某种氢氧燃料电池是用NaOH溶液作电解质，正极的电极反应式为________；若把燃料改为甲烷，负极的电极反应式为________。

(3)氢气可用于合成氨。一定温度下，向2L 的密闭容器中加入1 molN2和 3molH2发生反应 N2(g)+3H2(g)2NH3(g)，2min时测得N2的浓度为0.3mol/L，5min时达到平衡，此时测得压强为开始时的。则前2min用NH3表示的化学反应速率为________；平衡时，N2的转化率为________，混合气体的平均相对分子质量为________。

Answer 1

【答案】太阳 化学 化学 电能 O2+4e-+2H2O=4OH- CH4-8e-+10OH-=CO32-+7H2O 0.2mol/(L·min) 50% 11.3

【解析】

(1)根据图可知，太阳能产生的激光分解水生成氢气和氧气，太阳能转化为光能、光能转化为化学能；生成的氢气用于燃料电池，是将化学能转化为电能；

(2)在氢氧燃料碱性电池中，正极上O2得电子和水反应生成OH-，如果将甲烷作燃料，则负极上是甲烷失电子和OH-反应生成CO32-离子和H2O；

(3)先根据化学反应速率的含义计算氮气的反应速率，然后利用用不同物质表示的反应速率的关系计算用H2表示的反应速率；氮气的转化率等于反应转化的氮气的物质的量占总物质的量的百分比计算；根据在恒温恒容条件下，气体物质的量之比等于其压强之比，计算平衡时混合气体总物质的量，利用混合气体总质量除以气体的总物质的量得到混合气体的平均摩尔质量，再结合混合气体平均相对分子质量在数值上等于其平均摩尔质量，即得混合气体的平均相对分子质量。

(1)根据图知，太阳能产生的激光分解水生成氢气和氧气，太阳能转化为光能、光能转化为化学能；生成的氢气用于燃料电池，是将化学能转化为电能，所以分解海水时，太阳能能转变为化学能。生成的氢气用于燃料电池时，化学能能转变为电能；

(2)在氢氧燃料碱性电池中，正极上O2得电子和溶液中的水反应生成OH-，则正极的电极反应式为O2+4e-+2H2O=4OH-；如果将CH4作燃料，则负极上CH4失电子和溶液中的OH-反应生成CO32-和水，电极反应式为 CH4-8e-+10OH-=CO32-+7H2O；

(3)反应开始时c(N2)==0.5mol/L，c(H2)==1.5mol/L，2min时测得N2的浓度为0.3mol/L，则前2min用N2表示的化学反应速率v(N2)==0.1mol/(Lmin)；

前2min内v(NH3)=2v(N2)=2×0.1 mol/(Lmin) =0.2 mol/(Lmin)；

在恒温恒容条件下，气体物质的量之比等于其压强之比，则平衡时混合气体总物质的量为(1+3)mol×=3mol，根据方程式知，N2+3H22NH3可知：反应前后减少的物质的量相当于参加反应氮气的2倍，则参加反应的n(N2)=mol=0.5mol，则氮气转化率=×100%=×100%=50%；混合气体总质量=1mol×28g/mol+3mol×2g/mol=34g，混合气体平均相对分子质量在数值上等于其平均摩尔质量===11.3g/mol，所以平均相对分子质量为11.3。