Question

7．氫能是發(fā)展中的新能源．回答下列問題：

（1）氫氣可用于制備綠色氧化劑H₂O₂．
已知：H₂（g）+X（l）═Y（l）△H₁
O₂（g）+Y（l）═X（l）+H₂O₂（l）△H₂
其中X、Y為有機物，兩反應均為自發(fā)反應，則H₂（g）+O₂（g）═H₂O₂（l）的△H＜0，其原因是自發(fā)反應需滿足△G=△H-T△S＜0，則△H₁＜0、△H₂＜0，根據(jù)蓋斯定律△H=△H₁+△H₂＜0．
（2）硼氫化鈉（NaBH₄）是一種重要的儲氫載體，能與水反應生成NaBO₂，且反應前后B的化合價不變，該反應的化學方程式為NaBH₄+2H₂O=NaBO₂+4H₂↑．
（3）化工生產(chǎn)的副產(chǎn)物也是氫氣的來源之一．電解法制取有廣泛用途的Na₂FeO₄，同時獲得氫氣：
Fe+2H₂O+2OH^-$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$ FeO₄^2-+3H₂↑，工作原理如圖1所示．裝置通電后，鐵電極附近生成紫紅色的FeO₄^2-，鎳電極有氣泡產(chǎn)生．若NaOH溶液濃度過高，鐵電極區(qū)會產(chǎn)生紅褐色物質(zhì)．
已知：Na₂FeO₄在強堿性條件下能穩(wěn)定存在．
①a為負極（填“正”或“負”），鐵電極的電極反應式為Fe-6e^-+8OH^-═FeO+4H₂O．
②電解一段時間后，c （OH^-）升高的區(qū)域在陰極室（填“陰極室”或“陽極室”）．
③c（Na₂FeO₄）隨初始c（NaOH）的變化如圖2，M、N兩點均低于c（Na₂FeO₄）最高值，請分析原因．M點：c（OH^-）低，Na₂FeO₄穩(wěn)定性差，且反應慢；N點：c（OH^-）過高，鐵電極上有氫氧化鐵生成，使Na₂FeO₄產(chǎn)率降低．

Answer 1

分析 （1）①H₂（g）+X（l）═Y（l）△H₁，②O₂（g）+Y（l）═X（l）+H₂O₂（l）△H₂，兩反應的△S＜0，兩反應均為自發(fā)反應，根據(jù)△G=△H-T△S＜0結(jié)合蓋斯定律判斷；
（2）據(jù)NaBH₄是一種重要的儲氫載體，能與水反應生成NaBO₂，且反應前后B的化合價不變，可知H元素化合價由-1價、+1價變?yōu)?價，再結(jié)合轉(zhuǎn)移電子守恒書寫化學方程式；（3）①電解池中陽極發(fā)生氧化反應，依據(jù)題意可知鐵在陽極失去電子，堿性環(huán)境下生成高鐵酸根離子，所以與其相連的一極是正極，另一極是負極；據(jù)此書寫電極反應式；
②根據(jù)題意鎳電極有氣泡產(chǎn)生是氫離子放電生成氫氣，鐵電極發(fā)生氧化反應，溶液中的氫氧根離子減少，因此電解一段時間后，c（OH^-）降低的區(qū)域在陽極室；
③根據(jù)題意Na₂FeO₄只在強堿性條件下穩(wěn)定，在M點，c（OH^-）低，Na₂FeO₄穩(wěn)定性差，且反應慢，在N點：c（OH^-）過高，鐵電極上有氫氧化鐵生成，使Na₂FeO₄產(chǎn)率降低．

解答 解：（1）①H₂（g）+X（l）═Y（l）△H₁，②O₂（g）+Y（l）═X（l）+H₂O₂（l）△H₂，兩反應的△S＜0，根據(jù)△G=△H-T△S，因為均為兩反應自發(fā)反應，因此△H均小于0，根據(jù)蓋斯定律將①+②得：H₂（g）+O₂（g）=H₂O₂（l）的△H=△H₁+△H₂＜0，
故答案為：自發(fā)反應需滿足△G=△H-T△S＜0，則△H₁＜0、△H₂＜0，根據(jù)蓋斯定律△H=△H₁+△H₂＜0；
（2）NaBH₄是一種重要的儲氫載體，能與水反應生成NaBO₂，且反應前后B的化合價不變，所以NaBH₄與H₂O發(fā)生歸中反應，生成NaBO₂和氫氣，H元素化合價由-1價、+1價變?yōu)?價，依據(jù)得失電子守恒可知：NaBH₄的系數(shù)為1，H₂O的系數(shù)為2，依據(jù)原子個數(shù)守恒，反應方程式：NaBH₄+2H₂O=NaBO₂+4H₂↑；
故答案為：NaBH₄+2H₂O=NaBO₂+4H₂↑；
（3）①電解池中陽極發(fā)生氧化反應，依據(jù)題意可知鐵在陽極失去電子，堿性環(huán)境下生成高鐵酸根離子，電極反應式為：Fe-6e^-+8OH^-=FeO₄^2-+4H₂O；
根據(jù)題意鎳電極有氣泡產(chǎn)生是氫離子放電生成氫氣，鐵電極發(fā)生氧化反應，與電源的負極相連，
故答案為：負；Fe-6e^-+8OH^-═FeO+4H₂O；
②根據(jù)題意鎳電極有氣泡產(chǎn)生是氫離子放電生成氫氣，鐵電極發(fā)生氧化反應，溶液中的氫氧根離子減少，因此電解一段時間后，c（OH^-）降低的區(qū)域在陽極室，c（OH^-）升高的區(qū)域在陰極室，
故答案為：陰極室；
③根據(jù)題意Na₂FeO₄只在強堿性條件下穩(wěn)定，在M點，c（OH^-）低，Na₂FeO₄穩(wěn)定性差，且反應慢，在N點：c（OH^-）過高，鐵電極上有氫氧化鐵生成，使Na₂FeO₄產(chǎn)率降低；
故答案為：c（OH^-）低，Na₂FeO₄穩(wěn)定性差，且反應慢；c（OH^-）過高，鐵電極上有氫氧化鐵生成，使Na₂FeO₄產(chǎn)率降低．

點評 本題考查了化學反應的方向、反應方程式的書寫、電化學等知識，側(cè)重考查了電解法制取Na₂FeO₄，明確△G=△H-T△S＜0判斷反應方向、熟練掌握蓋斯定律以及電解池工作原理及電極反應式的書寫方法是解題關鍵，題目難度中等．