Question

13．氢气是一种清洁能源．制氢和储氢作为氢能利用的关键技术，是当前科学家主要关注的热点问题．
（1）用甲烷制取氢气的两步反应的能量变化如图所示：

①甲烷和水蒸气反应生成二氧化碳和氢气的热化学方程式是CH₄（g）+2H₂O（g）=4H₂（g）+CO₂（g）△H=-136.5kJ/mol．
②第Ⅱ步反应为可逆反应．800℃时，若CO的起始浓度为2.0mol•L^-1，水蒸气的起始浓度为3.0mol•L^-1，达到化学平衡状态后，测得CO₂的浓度为1.2mol•L^-1，则CO的平衡转化率为60%．
（2）NaBH₄是一种重要的储氢载体，能与水反应生成NaBO₂，且反应前后B元素的化合价不变，该反应的化学方程式为NaBH₄+2H₂O=NaBO₂+4H₂↑，反应消耗1mol NaBH₄时转移的电子数目为4N_A或2.408×10²⁴．
（3）储氢还可借助有机物，如利用环已烷和苯之间的可逆反应来实现脱氢和加氢．

在某温度下，向恒容容器中加入环已烷，其起始浓度为a mol•L^-1，平衡时苯的浓度为b mol•L^-1，该反应的平衡常数K=$\frac{27{b}^{4}}{a-b}$mol³•L^-3（用含a、b的关系式表达）．

Answer 1

分析 （1）①由图象写出各反应的热化学方程式，结合盖斯定理计算CH₄（g）+2H₂O（g）=4H₂（g）+CO₂（g）的反应热，并书写热化学方程式；
②由CO₂的浓度可计算消耗的CO的量，进而计算转化率；
（2）NaBH₄与水反应生成NaBO₂，且反应前后B的化合价不变，H元素化合价由-1价、+1价变为0价，再结合转移电子守恒配平方程式，根据NaBH₄和转移电子之间的关系式计算；
（3）化学平衡常数K=$\frac{c（{C}_{6}{H}_{6}）．{c}^{3}（{H}_{2}）}{c（{C}_{6}{H}_{12}）}$计算．

解答 解：（1）①根据第一步反应过程可以得出：CH₄（g）+H₂O（g）=3H₂（g）+CO（g），△H=-103.3KJ/mol；
根据第二步反应过程可以得出：CO（g）+H₂O（g）=H₂（g）+CO₂（g），△H=-33.2KJ/mol；
根据盖斯定律，上下两式相加可得：CH₄（g）+2H₂O（g）=4H₂（g）+CO₂（g）△H=-136.5 kJ/mol，
故答案为：CH₄（g）+2H₂O（g）=4H₂（g）+CO₂（g）△H=-136.5 kJ/mol；
②设CO的平衡转化量为x，
               CO（g）+H₂O（g）=H₂（g）+CO₂（g）
初始浓度：2.0       3.0            0              0
变化浓度：1.2      1.2             1.2          1.2
平衡浓度：0.8     1.8               1.2         1.2
 则CO的平衡转化率为$\frac{1.2mol/L}{2.0mol/L}$×100%=60%，
故答案为：60%；
（2）NaBH₄与水反应生成NaBO₂，且反应前后B的化合价不变，NaBO₂中B元素化合价为+3价，所以NaBH₄中H元素的化合价为-1价，所以H元素化合价由-1价、+1价变为0价，再结合转移电子守恒配平方程式为NaBH₄+2H₂O=NaBO₂+4H₂↑，反应消耗1mol NaBH₄时转移的物质的量=1mol×4×（1-0）=4mol，所以转移电子数为4N_A或2.408×10²⁴，故答案为：NaBH₄+2H₂O=NaBO₂+4H₂↑；4N_A或2.408×10²⁴；
（3）环己烷的起始浓度为amol•L^-1，平衡时苯的浓度为bmol•L^-1，同一容器中各物质反应的物质的量浓度之比等于其计量数之比，所以根据方程式知，环己烷的平衡浓度为（a-b）mol/L，氢气的浓度为3bmol/L，则平衡常数K=$\frac{c（{C}_{6}{H}_{6}）．{c}^{3}（{H}_{2}）}{c（{C}_{6}{H}_{12}）}$mol³•L^-3=$\frac{b×（3b）^{3}}{（a-b）}$=$\frac{27{b}^{4}}{a-b}$mol³•L^-3，
故答案为：$\frac{27{b}^{4}}{a-b}$mol³•L^-3．

点评 本题考查较为综合，为高考常见题型，题目涉及盖斯定律的应用、化学平衡等知识点，根据化学平衡移动原理等知识点来分析解答，难度中等，侧重于考查学生对基础知识的综合应用能力．