儲氫材料在高考化學(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，隨著社會的快速發(fā)展，全球能源和資源加速消耗，人類將面對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。氫氣的儲存是氫能利用技術(shù)的主要難題，近年來儲氫材料的研究取得了巨大的進(jìn)展，本文總結(jié)歸納了常見的儲氫材料以及此類物質(zhì)在高考化學(xué)中的考查，以期對復(fù)習(xí)備考有一定的幫助。

一、儲氫材料綜述

1.儲氫材料分類

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

1.1 金屬合金儲氫材料

儲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。A控制儲氫量，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 金屬合金儲氫材料

1.2 配位氫化物儲氫材料

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、氮氫化物、氨硼烷化合物等。

表2 配位氫化物儲氫材料

1.3 有機(jī)液體儲氫材料

有機(jī)液體儲氫技術(shù)主要借助有機(jī)物與氫氣的可逆反應(yīng)來實現(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)液體儲氫材料物理性質(zhì)及儲氫性能

1.4 碳質(zhì)儲氫材料

碳質(zhì)儲氫材料是指碳材、玻璃微球等以物理吸附的原理吸附儲氫的材料，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)，用儲氫合金和氫氧化鎳等作電極材料，M代表儲氫合金，MH為金屬氫化物：

二、2020年高考中儲氫材料的考查

1.元素推斷選擇題中的考查

【2020·全國卷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)敘述錯誤的是

( )

圖1

A.該化合物中，W、X、Y之間均為共價鍵

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)簡式可得知，Z最外層有1個電子，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可形成共用電子對數(shù)目分別為1對、4對、3對，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之間均為共價鍵，A項正確；單質(zhì)Na能與水、甲醇發(fā)生反應(yīng)，生成氫氣，B項正確；N的最高價氧化物的水化物為HNO3，是一元強(qiáng)酸，C項正確；BF3中B原子不滿足8電子穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，D項錯誤。

【點評】試題以一種高性能堿金屬氨硼烷儲氫材料為載體考查元素推斷及元素周期律的相關(guān)知識，涉及真實的學(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，以HCOOK溶液代替HCOOH催化釋氫的效果更佳，其具體優(yōu)點是。

(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，H元素來源單一，可提高釋放出氫氣的純度。

【點評】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、原電池原理等知識以及反應(yīng)機(jī)理圖的識別與運用的能力，反應(yīng)機(jī)理圖的識別與獲取有效信息為本題的難點，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氫材料?；卮鹣铝袉栴}：

(1)H、B、N中，原子半徑最大的是________。根據(jù)對角線規(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)“對角線”規(guī)則，元素周期表中B與Si位于對角線上，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)性順序為N>H>B；NH3BH3的等電子體是CH3CH3，其熔點比NH3BH3低，原因為NH3BH3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的熔沸點高于CH3CH3；

【點評】試題以氨硼烷儲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，試題亮點有電負(fù)性的比較，要求考生深刻理解電負(fù)性的含義，并學(xué)會靈活運用。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，并能從題干中獲得關(guān)鍵信息，這也恰恰符合高考化學(xué)試題對考生更高的要求。