《2025年天利38套五年真题高考试题分类化学》

5.(2022·河北卷,14分)氢能是极具发展潜力的清洁能源,以氢燃料为代表的燃料电池有良好的应用前景。
(1)$298\ K$时,$1\ g\ {H_{2}}$燃烧生成${H_{2}O(g)}$放热$121\ kJ$,$1\ mol\ {H_{2}O(l)}$蒸发吸热$44\ kJ$,表示${H_{2}}$燃烧热的热化学方程式为_______。
(2)工业上常用甲烷水蒸气重整制备氢气,体系中发生如下反应。
Ⅰ.${CH_{4}(g) + H_{2}O(g)⇌ CO(g) + 3H_{2}(g)}$
Ⅱ.${CO(g) + H_{2}O(g)⇌ CO_{2}(g) + H_{2}(g)}$
①下列操作中,能提高${CH_{4}(g)}$平衡转化率的是_______(填标号)。
A.增加${CH_{4}(g)}$用量
B.恒温恒压下通入惰性气体
C.移除${CO(g)}$
D.加入催化剂
②恒温恒压条件下,$1\ mol\ {CH_{4}(g)}$和$1\ mol\ {H_{2}O(g)}$反应达平衡时,${CH_{4}(g)}$的转化率为$\alpha$,${CO_{2}(g)}$的物质的量为$b\ mol$,则反应Ⅰ的平衡常数$K_{x}=$_______[写出含有$\alpha$、$b$的计算式;对于反应$m{A(g)} + n{B(g)⇌ }p{C(g)} + q{D(g)}$,$K_{x}=\dfrac{x^{p}(C)· x^{q}(D)}{x^{m}(A)· x^{n}(B)}$,$x$为物质的量分数]。其他条件不变,${H_{2}O(g)}$起始量增加到$5\ mol$,达平衡时,$\alpha =0.90$,$b=0.65$,平衡体系中${H_{2}(g)}$的物质的量分数为_______(结果保留两位有效数字)。
(3)氢氧燃料电池中氢气在_______(填“正”或“负”)极发生反应。
(4)在允许${O^{2-}}$自由迁移的固体电解质燃料电池中,${C_{n}H_{2n+2}}$放电的电极反应式为_______。
(5)甲醇燃料电池中,吸附在催化剂表面的甲醇分子逐步脱氢得到${CO}$,四步可能脱氢产物及其相对能量如图,则最可行途径为$a\to$_______(用b\simj等代号表示)。

答案： $(1)H_2(g) + \frac{1}{2}O_2(g) \xlongequal{} H_2O(l) \Delta H = -286 kJ/mol $
$(2)①BC ②\frac{(\alpha - b) × (3\alpha + b)^3}{(1 - \alpha) × (1 - \alpha - b) × (2 + 2\alpha)^2} 43\% $
(3)负
$(4)C_nH_{2n + 2} - (6n + 2)e^- + (3n + 1)O^{2-} \xlongequal{} nCO_2 + (n + 1)H_2O $
$(5)b \rightarrow e \rightarrow h \rightarrow j $
【解析】燃烧热、盖斯定律、化学平衡的移动、化学平衡常数的计算、电极反应式书写
(1)根据题目信息写出热化学方程式：
$①H_2(g) + \frac{1}{2}O_2(g) \xlongequal{} H_2O(g) \Delta H_1 = -242 kJ/mol，$
$②H_2O(l) \xlongequal{} H_2O(g) \Delta H_2 = +44 kJ/mol，$$H_2 $燃烧热指$ 1 mol H_2 $完全燃烧生成$H_2O(l) $放出的热量，根据盖斯定律可得出$H_2(g) + \frac{1}{2}O_2(g) \xlongequal{} H_2O(l) \Delta H = \Delta H_1 - \Delta H_2 = -286 kJ/mol。$
(2)①增加甲烷用量会增大$H_2O(g) $的平衡转化率，甲烷平衡转化率减小，A错误；恒温恒压下通入惰性气体，使得体系中各物质浓度减小，其结果等效于减小压强，平衡向气体分子数增加的方向移动，即反应Ⅰ平衡正向移动，甲烷平衡转化率增大，B正确；移除一氧化碳可使反应Ⅰ平衡正向移动，甲烷平衡转化率增大，C正确；加入催化剂可加快反应速率，缩短达到平衡的时间，不会引起平衡移动，甲烷平衡转化率不变，D错误。②两个反应的转化量表示如下：
$Ⅰ CH_4(g) + H_2O(g) \rightleftharpoons CO(g) + 3H_2(g) $
$\Delta n \alpha mol \alpha mol \alpha mol 3\alpha mol $
$Ⅱ CO(g) + H_2O(g) \rightleftharpoons CO_2(g) + H_2(g) $
$\Delta n b mol b mol b mol b mol $
反应Ⅱ气体物质的量不变，气体总物质的量的变化由反应Ⅰ引起，平衡时n(总$) = (2 + 2\alpha) mol，$$n(CH_4) = (1 - \alpha) mol，$$n(H_2O) = (1 - \alpha - b) mol，$$n(CO) = (\alpha - b) mol，$$n(H_2) = (3\alpha + b) mol，$
反应Ⅰ的平衡常数$K_x = \frac{x(CO) × x^3(H_2)}{x(CH_4) × x(H_2O)} = \frac{\frac{\alpha - b}{2 + 2\alpha} × (\frac{3\alpha + b}{2 + 2\alpha})^3}{\frac{1 - \alpha}{2 + 2\alpha} × \frac{1 - \alpha - b}{2 + 2\alpha}} = \frac{(\alpha - b) × (3\alpha + b)^3}{(1 - \alpha) × (1 - \alpha - b) × (2 + 2\alpha)^2}。$其他条件不变，$H_2O(g) $起始量增加到 5 mol，则平衡时n(总$) = 1 mol + 5 mol + 2\alpha mol = 7.8 mol，$$n(H_2) = (3\alpha + b) mol = (3 × 0.90 + 0.65) mol = 3.35 mol，$则$H_2(g) $的物质的量分数为$\frac{3.35 mol}{7.8 mol} × 100\% \approx 43\%。$
(3)氢氧燃料电池中，氢气失电子发生氧化反应，故在负极发生反应。
(4)在允许$O^{2-} $自由迁移的固体电解质燃料电池中，$C_nH_{2n + 2} $在负极被氧化结合$O^{2-} $生成$CO_2 $和$H_2O，$电极反应式为$C_nH_{2n + 2} - (6n + 2)e^- + (3n + 1)O^{2-} \xlongequal{} nCO_2 + (n + 1)H_2O。$
(5)由图示可知，吸附在催化剂表面的甲醇分子逐步脱氢得到CO，且能垒越低，活化能越小，越容易进行，所以最可行的途径为$a \rightarrow b \rightarrow e \rightarrow h \rightarrow j。$