Question

14．A、B、C是三种常用制备氢气的方法．
A．煤炭制氢气，相关反应为：
C（s）+H₂O（g）?CO（g）+H₂（g），△H=a kJ•mol^-1
CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g），△H=b kJ•mol^-1
B．氯碱工业中电解饱和食盐水制备氢气．
C．硫铁矿（FeS₂）燃烧产生的SO₂通过如图碘循环工艺过程制备H₂：

回答问题：
（1）某温度（T₁）下，向容积为2L的密闭容器中充入一定量的CO和H₂O，发生煤炭制氢气的一个反应：反应过程中测定的部分数据如表（表中t₁＜t₂）：

反应时间/min	n（CO）/mol	H2O/mol
0	1.20	0.60
t1	0.80
t2		0.20

保持其他条件不变，向平衡体系中再通入0.20molH₂O，与原平衡相比，达到新平衡时CO转化率增大（增大、减小、不变），H₂O的体积分数增大（增大、减小、不变）；
保持其他条件不变，温度由T₁升至T₂，上述反应平衡常数为0.64，则正反应为放热（吸热、放热）反应．
保持其他条件不变，起始时向容器中充入0.60mol CO和1.20mol H₂O，到达平衡时，n（CO₂）=0.40 mol．
（2）写出方法B制备氢气的离子方程式；2Cl^-+2H₂O $\frac{\underline{\;电解\;}}{\;}$2OH^-+H₂↑+Cl₂↑
（3）膜反应器常利用膜的特殊功能实现反应产物的选择性分离．方法C在HI分解反应中使用膜反应器分离出H₂的目的是减小氢气的浓度，使HI分解平衡正向移动，提高HI的分解率．
（4）反应：C（s）+CO₂（g）=2CO（g），△H=（a-b）kJ•mol^-1．
（5）某种电化学装置可实现如下转化：2CO₂=2CO+O₂，CO可用作燃料．已知该反应的阳极反应为：4OH^--4e^-═O₂↑+2H₂O，则阴极反应为：2CO₂+4e^-+2H₂O=2CO+4OH^-．

Answer 1

分析 （1）保持其他条件不变，增加一种反应物的浓度，平衡向正反应方向移动，另一种反应物的转化率增大，自身转化率降低；
CO与H₂O按物质的量比1：1反应，充入0.60 mol CO和1.20 mol H₂O与充入1.20 mol CO和0.6mol H₂O到达平衡时对应生成物的浓度、物质的量相同；
t₁min时n（CO）=0.8mol，n（H₂O）=0.6mol-0.4mol=0.2mol，t₂min时n（H₂O）=0.2mol，说明t₁min时反应已经达到平衡状态，反应前后气体的体积不变，利用物质的量代替浓度计算700℃时平衡常数，比较不同温度下的平衡常数大小判断反应的热效应；
（2）氯碱工业中电解饱和食盐水制备氢气，电解饱和食盐水生成氢氧化钠、氢气和氯气；
（3）HI分解是可逆反应，分离出氢气有利于平衡正向移动；
（4）依据热化学方程式和盖斯定律计算得到所需热化学方程式；
（5）阴极发生还原反应，CO₂被还原生成CO，总反应式减去阳极反应式得阴极反应式．

解答 解：（1）保持其他条件不变，向平衡体系中再通入0.20molH₂O，与原平衡相比，平衡向右移动，达到新平衡时CO转化率增大，H₂O转化率减小，H₂O的体积分数会增大；
t₁min时n（CO）=0.8mol，n（H₂O）=0.6mol-0.4mol=0.2mol，t₂min时n（H₂O）=0.2mol，说明t₁min时反应已经达到平衡状态，此时n（CO）=0.8mol，n（H₂O）=0.2mol，n（CO₂）=c（H₂）=△n（CO）=1.2mol-0.8mol=0.4mol，反应前后气体的体积不变，利用物质的量代替浓度计算700℃时平衡常数，则k=$\frac{0.4×0.4}{0.8×0.2}$=1，温度升至800℃，上述反应平衡常数为0.64，说明温度升高，平衡是向左移动，故正反应为放热反应；
CO与H₂O按物质的量比1：1反应，充入0.60 mol CO和1.20 mol H₂O与充入1.20 mol CO和0.6mol H₂O，平衡时生成物的浓度对应相同，t₁min时n（CO）=0.8mol，n（H₂O）=0.6mol-0.4mol=0.2mol，t₂min时n（H₂O）=0.2mol，说明t₁min时反应已经达到平衡状态，根据化学方程式可知，则生成的n（CO₂）=0.40mol；
故答案为：增大； 增大； 放热； 0.40 mol；
（2）氯碱工业中电解饱和食盐水制备氢气，电解饱和食盐水生成氢氧化钠、氢气和氯气，反应的离子方程式为：2Cl^-+2H₂O $\frac{\underline{\;电解\;}}{\;}$2OH^-+H₂↑+Cl₂↑；
故答案为：2Cl^-+2H₂O $\frac{\underline{\;电解\;}}{\;}$2OH^-+H₂↑+Cl₂↑；
（3）HI分解为可逆反应，及时分离出产物H₂，有利于反应正向进行；
故答案为：减小氢气的浓度，使HI分解平衡正向移动，提高HI的分解率；
（4）①C（s）+H₂O（g）?CO（g）+H₂（g），△H=a kJ•mol^-1
②CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g），△H=b kJ•mol^-1
依据盖斯定律计算①-②得到：C（s）+CO₂（g）=2CO（g），△H=（a-b）kJ•mol^-1；
故答案为：（a-b）kJ•mol^-1；
（5）总反应式为2CO₂=2CO+O₂，阳极反应为4OH^--4e^-=O₂↑+2H₂O，总反应式减去阳极反应式得阴极反应式，所以阴极反应为：2CO₂+4e^-+2H₂O=2CO+4OH^-，
故答案为：2CO₂+4e^-+2H₂O=2CO+4OH^-．

点评 本题主要考查化学反应速率、化学平衡及平衡常数等计算，电解原理分析，热化学方程式和盖斯定律计算应用，注意数据的规律分析利用，掌握基础是哦关键，题目难度中等．