17.“一碳化學”是指以含一個碳原子的化合物合成一系列重要的化工原料和燃料的化學。利用“一碳化學”技術可有效實現(xiàn)工業(yè)制氫;該工業(yè)制氫方法主要涉及以下兩個反應:
Ⅰ.CH
4(g)+CO
2(g)?2CO(g)+2H
2(g) ΔH
1=+247kJ/mol
Ⅱ.CO(g)+H
2O(g)?CO
2(g)+H
2(g) ΔH
2=-41kJ/mol
(1)298K時,1gH
2燃燒生成H
2O(g)放出熱量121kJ,1molH
2O(l)蒸發(fā)需要吸熱44kJ。則H
2燃燒熱的熱化學方程式為
。
(2)在溫度T下,往恒容密閉容器中通入等物質的量的CH
4、CO
2混合氣體進行上述兩個反應,已知初始壓強為100kPa,達平衡時CO
2與CO的分壓相等,體系壓強為120kPa。
①H
2的平衡分壓為
kPa;則該條件下,反應Ⅰ的標準壓強平衡常數(shù)K
θ=
。[已知:分壓=總壓×該組分物質的量分數(shù),對于反應dD(g)+eE(g)?gG(g)+hH(g) K
θ=
,其中p
θ=100kPa,p
G、p
H、p
D、p
E為各組分的平衡分壓]。
②體系中H
2的平衡含量隨溫度T的變化如圖所示,請解釋H
2的含量隨溫度變化的原因:
。
(3)研究表明,上述反應Ⅱ在Fe
3O
4催化下進行,反應歷程如下:
第1步:Fe
3O
4(s)+4CO(g)?3Fe(s)+4CO
2(g)(慢反應) ΔH
3=-141kJ/mol
第2步:3Fe(s)+4H
2O(g)?Fe
3O
4(s)+4H
2(g)(快反應) ΔH
4請在圖中畫出CO和H
2O(g)在Fe
3O
4催化下反應歷程的能量變化圖(體現(xiàn)各分步熱效應數(shù)值)
。
(4)工業(yè)上也可利用太陽能光伏電池電解水制高純氫,工作示意圖如圖。通過控制開關連接K
1或K
2,可交替得到H
2和O
2。
①制H
2時,產生H
2的電極反應式是
。
②改變開關連接方式,可得O
2。
③結合①和②中電極3的電極反應式,說明電極3在使用中的優(yōu)點:
。