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【题目】氢气是清洁的能源,也是重要的化工原料,根据以下两种制氢方法,完成下列问题:

(1)方法一:H2S热分解法,反应式为:H2S (g) H2 (g)+S(g) △H,在恒容密闭容器中,测定H2S分解的转化率(H2S的起始浓度均为c mol/L),测定结果见图1,其中曲线a表示H2S的平衡转化率与温度关系,曲线b表示不同温度下反应经过相同时间未达到化学平衡时H2S的转化率。

①△H___________0(填“>”“<”或“=”)。

②若985℃时,反应经t min达到平衡,此时H2S的转化率为40%,则tmin内反应速率v(H2)=______(用含c、t的代数式表示)。

③请说明随温度的升高,曲线b向曲线a接近的原因:_________________。

(2)方法二:以CaO为吸收体,将生物材质(以C计)与水蒸气反应制取H2。相关主要反应如下:

I.C(s) + H2O (g) = CO (g) + H2(g) △H = + 131.6 kJ/mol

II.CO (g) + H2O (g) = CO2 (g) + H2 (g) △H = -43 kJ/mol

III.CaO(s) + CO2(g) = CaCO3(s) △H = -178.3 kJ/mol

①计算反应C (s) +2H2O(g) +CaO(s) ==CaCO3 (s)+2H2 (g)的△H=_____(保留到小数点后面1位);若K1、K2、K3分别为反应I、II、III的平衡常数,该反应的平衡常数k=______(用K1、K2、K3表示)。

②对于可逆反应C (s) +2H2O(g) +CaO(s) CaCO3 (s)+2H2 (g),采取以下措施可以提高H2产率的是___。 (填字母编号)

A.适当的降低体系的温度 B.使各气体组分浓度均加倍

C.用特殊材料吸收氢气 D.增加CaO的量

③图2为反应I在一定温度下,平衡时各气体体积百分含量随压强变化的关系图。若反应达某一平衡状态时,测得c( H2O)=2c(H2)= 2c(CO)=2 mol/L,试根据H2O的体积百分含量变化曲线,补充完整CO的变化曲线示意图。___________________

(3)以N2、H2为电极反应物,以HCl-NH4C1为电解质溶液制造新型燃料电池,放电过程中,溶液中NH4+浓度逐渐增大,写出该电池的正极反应式:___________________。

【答案】(1) ① > ②0.4/c ③温度升高,反应速率加快,达到平衡所需时间缩短

(2)①-89.7kJ/mol K1·K2·K3 ② AC ③(3)N2+6e-+8H+= 2NH4+

【解析】(1)①由图象可知,温度升高,转化率增大,则平衡正移,所以正方向为吸热方向,即△H>0,故答案为:>;

②H2S的起始浓度均为c mol·L-1,若985℃时,反应经t min达到平衡,此时H2S的转化率为40%,则参加反应的硫化氢为c mol·L-1×40%=0.4cmol·L-1

v=△c/t=0.4c/tmol·L-1·min-1;故答案为:0.4c/tmol·L-1·min-1

③随着温度升高,反应速率逐渐加快,达到平衡所需时间缩短,所以曲线b向曲线a逼近;故答案为:温度升高,反应速率加快,达到平衡所需时间缩短;

(2)①已知:I:C(s)+H2O(g)═CO(g)+H2(g)△H = + 131.6 kJ/mol K1

Ⅱ:CO(g)+H2O(g)═CO2(g)+H2(g) △H = -43 kJ/mol K2

Ⅲ:CaO(s)+CO2(g)═CaCO3(s)△H = -178.3 kJ/mol K3

反应I、II、III之和为反应C(s)+2H2O(g)+CaO(s)═CaCO3(s)+2H2(g),△H =+ 131.6 kJ/mol -43 kJ/mol -178.3 kJ/mol = -89.7kJ/mol ,则K=K1·K2·K3 ;故答案为: -89.7kJ/mol 、K1·K2·K3

②提高H2产量,则需使平衡正向移动,已知C(s)+2H2O(g)+CaO(s)CaCO3(s)+2H2(g),△H=-87.9kJ·mol-1

A.该反应为放热反应,降低体系的温度,平衡正移,则能提高H2产量,故A正确;

B.该反应前后气体体积不变,使各气体组分浓度均加倍,则压强增大,平衡不移动,所以H2产量不变,故B错误;

C.用特殊材料吸收氢气,平衡正移,则能提高H2产量,故C正确;

D.增加CaO的量,对平衡无影响,所以H2产量不变,故D错误;

故答案为:AC;

③反应中H2O的变化量约等于CO的变化量,当起始水的含量为50%,则H2、CO各占25%,则CO的曲线的起点坐标为(0.1,25),平衡时水的含量为70%,则H2、CO各占15%,H2O含量变化与CO含量变化关于含量y=37.5的直线对称,故图中CO的变化曲线示意图为:

(3)以N2、H2为原料,以HCl-NH4Cl为电解质溶液构成新型燃料电池,正极发生还原反应,即氮气被还原生成NH4,电极反应式为N2+6e+8H=2NH4;负极是氢气失电子生成氢离子,电极方程式为H2-2e=2H。故答案为:N2+6e+8H=2NH4

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⑴已知:H2O(g)=H2O(I) △H=-44kJ/mol

物质

H2(g)

C(s)

CO(g)

燃烧热kJ/mol

-285.8

-393.5

-283.0

①请写出煤的气化反应生成合成气(CO和H2)的热化学方程式___________。

②在恒温、恒容的反应器中,能表明上述反应达到平衡状态的是_______。

a.混合气体平均相对分子质量不再改变

b.气体压强不再改变

c.各气体浓度相等

d.反应体系中温度保持不变

e.断裂氢氧键速率是断裂氢氢键速率的2倍

f.混合气体密度不变

g.单位时间内,消耗水的质量与生成氢气的质量比为9:1

⑵在催化剂作用下合成气合成甲烷过程中会发生如下反应:

I CO(g)+3H2(g) = CH4(g)+H2O(g) △H1= -206 kJ/mol

II CO(g)+H2O(g) = CO2(g)+H2(g) △H2= -41 kJ/mol

Ⅲ 2CO(g)+2H2(g)= CH4(g)+CO2(g) △H 3= -247.4 kJ/mol

①图1是太原理工大学煤化工研究所利用热力学数据分析得到温度对反应ⅠInK(化学平衡常数K的自然对数)的曲线图,请分析出现这样趋势的原因是____________。

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在550~630K,1MPa的原因是__________________。

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