儲(chǔ)氫材料在高考化學(xué)中的考查

2021-04-09 04:46:02江西

教學(xué)考試(高考化學(xué)) 2021年1期

江西

能源和資源是人類賴以生存和發(fā)展的源泉，隨著社會(huì)的快速發(fā)展，全球能源和資源加速消耗，人類將面對(duì)能源和資源枯竭的嚴(yán)重挑戰(zhàn)，因此，新能源開發(fā)利用受到越來越多的關(guān)注。新能源一方面可補(bǔ)充傳統(tǒng)能源，另一方面可有效降低環(huán)境污染。在新的能源領(lǐng)域中，潔凈無污染的氫能利用技術(shù)正在以飛快的速度發(fā)展，已引起工業(yè)界的熱切關(guān)注。氫氣的儲(chǔ)存是氫能利用技術(shù)的主要難題，近年來儲(chǔ)氫材料的研究取得了巨大的進(jìn)展，本文總結(jié)歸納了常見的儲(chǔ)氫材料以及此類物質(zhì)在高考化學(xué)中的考查，以期對(duì)復(fù)習(xí)備考有一定的幫助。

一、儲(chǔ)氫材料綜述

1.儲(chǔ)氫材料分類

儲(chǔ)氫材料可分為金屬合金儲(chǔ)氫材料、配位氫化物儲(chǔ)氫材料、有機(jī)液體儲(chǔ)氫材料以及碳質(zhì)儲(chǔ)氫材料。

1.1 金屬合金儲(chǔ)氫材料

儲(chǔ)氫合金按合金組成不同可以劃分為AB5型、AB2型和AB3.0～3.5型等。其中A是一種吸氫元素或與氫有很強(qiáng)親和力的元素，B是一種吸氫量很小或不吸氫的元素，但氫在其中可移動(dòng)。A控制儲(chǔ)氫量，B控制吸放氫的可逆性，起調(diào)節(jié)生成熱與分解壓力的作用。

表1 金屬合金儲(chǔ)氫材料

1.2 配位氫化物儲(chǔ)氫材料

配位氫化物主要是由[AlH4]-、[BH4]-、[NH2]-等配位陰離子和Li、Na、Mg等金屬陽離子形成，如鋁氫化物、硼氫化物、氮?dú)浠铩迸鹜榛衔锏取?/p>

表2 配位氫化物儲(chǔ)氫材料

1.3 有機(jī)液體儲(chǔ)氫材料

有機(jī)液體儲(chǔ)氫技術(shù)主要借助有機(jī)物與氫氣的可逆反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)加氫與脫氫。通常使用的脫氫催化劑為負(fù)載型金屬催化劑，活性組分為Pt、Pd、Rh、Ni、Co等，載體為Al2O3、SiO2、活性炭等。

表3 有機(jī)液體儲(chǔ)氫材料物理性質(zhì)及儲(chǔ)氫性能

1.4 碳質(zhì)儲(chǔ)氫材料

碳質(zhì)儲(chǔ)氫材料是指碳材、玻璃微球等以物理吸附的原理吸附儲(chǔ)氫的材料，如碳納米纖維、碳納米管、石墨納米纖維、活性炭等，它們具有優(yōu)良的吸、放氫性能。

2.儲(chǔ)氫材料的應(yīng)用

2.1 制備高純度氫氣

含有少量雜質(zhì)的氫氣與儲(chǔ)氫材料接觸，氫氣被吸收形成氫化物，雜質(zhì)氣體不被吸收，再使儲(chǔ)氫材料釋氫，則得到高純度的氫氣。

2.2 制備金屬氫化物鎳電池

金屬氫化物鎳電池是一種新型堿性蓄電池，其組成以KOH作電解質(zhì)，用儲(chǔ)氫合金和氫氧化鎳等作電極材料，M代表儲(chǔ)氫合金，MH為金屬氫化物：

二、2020年高考中儲(chǔ)氫材料的考查

1.元素推斷選擇題中的考查

【2020·全國(guó)卷Ⅱ·13】一種由短周期主族元素組成的化合物(如圖1所示)，具有良好的儲(chǔ)氫性能，其中元素W、X、Y、Z的原子序數(shù)依次增大、且總和為24。下列有關(guān)敘述錯(cuò)誤的是

( )

圖1

A.該化合物中，W、X、Y之間均為共價(jià)鍵

B.Z的單質(zhì)既能與水反應(yīng)，也可與甲醇反應(yīng)

C.Y的最高價(jià)氧化物的水化物為強(qiáng)酸

D.X的氟化物XF3中原子均為8電子穩(wěn)定結(jié)構(gòu)

【答案】D

【解析】由該化合物的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式可得知，Z最外層有1個(gè)電子，且易失去電子，由題干可知，Z的原子序數(shù)最大，得出Z為Na元素。陰離子結(jié)構(gòu)中，W、X、Y可形成共用電子對(duì)數(shù)目分別為1對(duì)、4對(duì)、3對(duì)，且W、X、Y原子序數(shù)之和為24-11=13，推出W為H元素，X為B元素，Y為N元素。該化合物的化學(xué)式為NaBH3NHNH。該化合物中，W、X、Y之間均為共價(jià)鍵，A項(xiàng)正確；單質(zhì)Na能與水、甲醇發(fā)生反應(yīng)，生成氫氣，B項(xiàng)正確；N的最高價(jià)氧化物的水化物為HNO3，是一元強(qiáng)酸，C項(xiàng)正確；BF3中B原子不滿足8電子穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，D項(xiàng)錯(cuò)誤。

【點(diǎn)評(píng)】試題以一種高性能堿金屬氨硼烷儲(chǔ)氫材料為載體考查元素推斷及元素周期律的相關(guān)知識(shí)，涉及真實(shí)的學(xué)術(shù)探索情境，體現(xiàn)了高考命題的綜合性和創(chuàng)新性。

2.化學(xué)反應(yīng)原理題中的考查

【2020·江蘇卷·20】CO2/HCOOH循環(huán)在氫能的貯存/釋放、燃料電池等方面具有重要應(yīng)用。

圖2

(2)HCOOH燃料電池。研究HCOOH燃料電池性能的裝置如圖3所示，兩電極區(qū)間用允許K+、H+通過的半透膜隔開。

圖3

①電池負(fù)極電極反應(yīng)式為

；

放電過程中需補(bǔ)充的物質(zhì)A為________(填化學(xué)式)。

②圖3所示的HCOOH燃料電池放電的本質(zhì)是通過HCOOH與O2的反應(yīng)，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，其反應(yīng)的離子方程式為。

(3)HCOOH催化釋氫。在催化劑作用下，HCOOH分解生成CO2和H2可能的反應(yīng)機(jī)理如圖4所示。

圖4

①HCOOD催化釋氫反應(yīng)除生成CO2外，還生成________(填化學(xué)式)。

②研究發(fā)現(xiàn)：其他條件不變時(shí)，以HCOOK溶液代替HCOOH催化釋氫的效果更佳，其具體優(yōu)點(diǎn)是。

(3)①HD ②提高釋放氫氣的速率，提高釋放出氫氣的純度

(3)從反應(yīng)機(jī)理圖可知，HCOOD催化釋氫反應(yīng)除生成CO2外，還生成HD；由反應(yīng)機(jī)理圖可知，HCOOH催化釋氫的第一步是將HCOOH轉(zhuǎn)化為HCOO-，若用HCOOK溶液代替HCOOH，可提供更多HCOO-，從而提高釋放氫氣的速率，HCOOK釋氫時(shí)，H元素來源單一，可提高釋放出氫氣的純度。

【點(diǎn)評(píng)】試題以CO2/HCOOH循環(huán)為載體考查化學(xué)反應(yīng)原理中離子方程式的書寫、原電池原理等知識(shí)以及反應(yīng)機(jī)理圖的識(shí)別與運(yùn)用的能力，反應(yīng)機(jī)理圖的識(shí)別與獲取有效信息為本題的難點(diǎn)，考生應(yīng)正確理解圖中各步驟的意義，找到反應(yīng)物和生成物，提升識(shí)圖、析圖能力，結(jié)合化學(xué)原理，解決此類試題難度不大。

3.物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)選考題中的考查

【2020·全國(guó)卷Ⅲ·35】氨硼烷(NH3BH3)含氫量高、熱穩(wěn)定性好，是一種具有潛力的固體儲(chǔ)氫材料。回答下列問題：

(1)H、B、N中，原子半徑最大的是________。根據(jù)對(duì)角線規(guī)則，B的一些化學(xué)性質(zhì)與元素________的相似。

(3)NH3BH3分子中，與N原子相連的H呈正電性(Hδ+)，與B原子相連的H呈負(fù)電性(Hδ-)，電負(fù)性大小順序是________________。與NH3BH3原子總數(shù)相等的等電子體是________(寫分子式)，其熔點(diǎn)比NH3BH3________(填“高”或“低”)，原因是在NH3BH3分子之間，存在________________，也稱“雙氫鍵”。

(4)研究發(fā)現(xiàn)，氨硼烷在低溫高壓條件下為正交晶系結(jié)構(gòu)，晶胞參數(shù)分別為apm、bpm、cpm，α=β=γ=90°。氨硼烷的2×2×2超晶胞結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5

氨硼烷晶體的密度ρ=________g·cm-3(列出計(jì)算式，設(shè)NA為阿伏加德羅常數(shù)的值)。

【答案】(1)B Si

(2)配位 N sp3sp2

(3)N>H>B 低 Hδ+與Hδ-的靜電引力

【解析】(1)同周期從左到右主族元素原子半徑逐漸減小，所以H、B、N中原子半徑最大的是B；根據(jù)“對(duì)角線”規(guī)則，元素周期表中B與Si位于對(duì)角線上，二者化學(xué)性質(zhì)相似；

(3)根據(jù)題意，與N原子相連的H原子呈正電性(Hδ+)，N原子的電負(fù)性大于H原子的電負(fù)性，與B原子相連的H原子呈負(fù)電性(Hδ-)，B原子的電負(fù)性小于H原子的電負(fù)性，所以電負(fù)性順序?yàn)镹>H>B；NH3BH3的等電子體是CH3CH3，其熔點(diǎn)比NH3BH3低，原因?yàn)镹H3BH3分子間存在Hδ+與Hδ-的靜電引力，CH3CH3分子中不存在這種“雙氫鍵”的作用力，從而使NH3BH3的熔沸點(diǎn)高于CH3CH3；

【點(diǎn)評(píng)】試題以氨硼烷儲(chǔ)氫材料為載體考查物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的相關(guān)知識(shí)，試題亮點(diǎn)有電負(fù)性的比較，要求考生深刻理解電負(fù)性的含義，并學(xué)會(huì)靈活運(yùn)用。氨硼烷的2×2×2超晶胞結(jié)構(gòu)與常規(guī)晶胞結(jié)構(gòu)相比，試題難度增大，要求考生熟悉高中知識(shí)，并能從題干中獲得關(guān)鍵信息，這也恰恰符合高考化學(xué)試題對(duì)考生更高的要求。