Question

【題目】氫氣是未來非常理想的能源，科學家最近研制出利用太陽能產生激光，并在二氧化鈦(TiO2)表面作用使海水分解得到氫氣的新技術：2H2O2H2+O2。制得的氫氣可用于燃料電池、合成氨工業。回答下列問題：

(1)分解海水時，________能轉變為________能。生成的氫氣用于燃料電池時，________能轉變為________能。

(2)某種氫氧燃料電池是用NaOH溶液作電解質，正極的電極反應式為________；若把燃料改為甲烷，負極的電極反應式為________。

(3)氫氣可用于合成氨。一定溫度下，向2L 的密閉容器中加入1 molN2和 3molH2發生反應 N2(g)+3H2(g)2NH3(g)，2min時測得N2的濃度為0.3mol/L，5min時達到平衡，此時測得壓強為開始時的。則前2min用NH3表示的化學反應速率為________；平衡時，N2的轉化率為________，混合氣體的平均相對分子質量為________。

Answer 1

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

【解析】

(1)根據圖可知，太陽能產生的激光分解水生成氫氣和氧氣，太陽能轉化為光能、光能轉化為化學能；生成的氫氣用于燃料電池，是將化學能轉化為電能；

(2)在氫氧燃料堿性電池中，正極上O2得電子和水反應生成OH-，如果將甲烷作燃料，則負極上是甲烷失電子和OH-反應生成CO32-離子和H2O；

(3)先根據化學反應速率的含義計算氮氣的反應速率，然后利用用不同物質表示的反應速率的關系計算用H2表示的反應速率；氮氣的轉化率等于反應轉化的氮氣的物質的量占總物質的量的百分比計算；根據在恒溫恒容條件下，氣體物質的量之比等于其壓強之比，計算平衡時混合氣體總物質的量，利用混合氣體總質量除以氣體的總物質的量得到混合氣體的平均摩爾質量，再結合混合氣體平均相對分子質量在數值上等于其平均摩爾質量，即得混合氣體的平均相對分子質量。

(1)根據圖知，太陽能產生的激光分解水生成氫氣和氧氣，太陽能轉化為光能、光能轉化為化學能；生成的氫氣用于燃料電池，是將化學能轉化為電能，所以分解海水時，太陽能能轉變為化學能。生成的氫氣用于燃料電池時，化學能能轉變為電能；

(2)在氫氧燃料堿性電池中，正極上O2得電子和溶液中的水反應生成OH-，則正極的電極反應式為O2+4e-+2H2O=4OH-；如果將CH4作燃料，則負極上CH4失電子和溶液中的OH-反應生成CO32-和水，電極反應式為 CH4-8e-+10OH-=CO32-+7H2O；

(3)反應開始時c(N2)==0.5mol/L，c(H2)==1.5mol/L，2min時測得N2的濃度為0.3mol/L，則前2min用N2表示的化學反應速率v(N2)==0.1mol/(Lmin)；

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

在恒溫恒容條件下，氣體物質的量之比等于其壓強之比，則平衡時混合氣體總物質的量為(1+3)mol×=3mol，根據方程式知，N2+3H22NH3可知：反應前后減少的物質的量相當于參加反應氮氣的2倍，則參加反應的n(N2)=mol=0.5mol，則氮氣轉化率=×100%=×100%=50%；混合氣體總質量=1mol×28g/mol+3mol×2g/mol=34g，混合氣體平均相對分子質量在數值上等于其平均摩爾質量===11.3g/mol，所以平均相對分子質量為11.3。