2026年中考化学一轮复习教学素材：超纯氢气

【教学素材】 超纯氢气 湖北省石首市文峰初级中学 刘涛（正高级教师） 【知识链接】“超纯氢气”是指纯度达到 ‌99.9999%（6N）及以上的氢气，是半导体、电子芯片制造、气相色谱、医疗设备与科研实验高端科研等要求极为严苛领域的关键材料。超纯氢气不仅要求极低的水分、氧气、氮气、一氧化碳等杂质含量，还需具备高度的供气稳定性与安全性。 一、超纯氢气主要通过以下技术制备与提纯： （1）质子交换膜（PEM）电解水制氢：以纯水为原料，通过电解直接产生高纯氢气，纯度可达99.9999% 以上，响应快、维护简便，广泛用于实验室与半导体产线。 （2）钯膜扩散法：利用钯合金膜对氢气的选择性透过性，可将氢气纯度提升至99.99999%，几乎去除所有杂质，适用于超净环境需求。 （3）变压吸附法（PSA）：工业上最成熟的技术，通过吸附剂在不同压力下对杂质的选择性吸附，实现氢气提纯，可稳定产出99.999%（5N）的高纯氢。 【同步训练设计】 1．我国自主研发的多通道钯膜纯化组件，可以将 99.92%的氢气提纯至99.99995%，实现了超纯氢气装置国产化。下列说法错误的是（ ） A．由图1可知，氢分子无法透过钯膜 B．由图2可知，氢气压强差越大，钯膜透氢量越大 C．由图3可知，开始工作时须先通N2排净装置中空气，再通原料氢气，其目的是防止爆炸 D．由图4可知，氢气将从A出口排出 2．我国工程师研发了具有自主知识产权的多通道钯膜纯化组件，实现了超纯氢气装置国产化。钯膜透氢机理如图1，透氢量如图2下列分析正确的是（ ） A．钯膜能吸附所有的分子 B．透过钯膜的最小微观粒子是氢分子 C．控制钯膜两侧的压强差可提高透氢量 D．要获得超纯氢气，实际制取中只需控制压强 3．我国工程师研发了具有自主知识产权的多通道钯膜纯化组件，可以将99.92%原料氢气提纯至99.99995%，实现了超纯氢气装置国产化。如图所示，图1是钯膜的透氢机理，图2是不同氢气压强下钯膜的透氢量。该装置核心组件工作时的温度在300℃以上，须先通N2，再通原料氢气。 （1）结合图1，判断下列说法中正确的是 （填字母）。 A．只有氢分子可以通过钯膜 B．扩散前，气体都是单质 C．“解离”“结合”必须在钯膜上进行 D．整个过程中原子数目发生了变化 （2）下列说法中不正确的是 （填字母）。 A．钯膜的透氢量只与压强有关 B．通入N2的目的是排尽空气，防止发生爆炸 C．钯膜可能具有疏松、多孔的结构 D．钯膜表面有其他分子可能会影响氢分子“解离” 4．半导体等产业对超纯氢气需求旺盛。我国工程师研发了具有自主知识产权的多通道钯膜纯化组件，可以将99.92%原料氢气提纯至99.99995%，实现了超纯氢气装置国产化。该装置核心组件工作原理如下图4所示，其工作温度在300℃以上，用字母标注的端口有“产品氢气出口”“尾气出口”“吹扫气入口”。 （1）由图1可知，透过钯膜的最小粒子是 。 （2）由图2可知，氢气分子透过钯膜的推动力是膜两侧的 差。 （3）图4中，纯化组件开始工作时，须先通N2排净装置中空气，再通原料氢气，其目的是 。“产品氢气出口”是 （填字母标号）。 5．氢能是一种清洁能源，氢气的生产和储存是科学研究的重要方向。 目前制氢的方法主要有化石能源制氢和电解水制氢。由化石能源（煤、天然气）制得的H2中含有核能CO，利用液氮的低温可将CO液化分离，从而获得纯净的氢气。电解水法制氢的能量转化如图所示，氚可用于核能发电，氚是一种原子核中有1个质子和2个中子的原子。 氢气的储存有物理储氢和化学储氢。物理储氢包括加压储氢和吸附储氢。用物理方法将石墨进行剥离，得到的石墨烯可用于常温吸附氢气。锂氮化合物LixN可用于化学储氢。 （1）下列有关氢能的说法不正确的是 （填字母）。 A．氢气的燃烧产物无污染，所以氢能是一种清洁能源 B．利用太阳能发电并电解水制氢可实现二氧化碳零排放 C．现阶段氢能已经能完全替代化石能源 （2）利用液氮的低温能将H2与CO分离，说明氢气的沸点比CO的沸点 。 （3）①氚属于 元素的一种原子。 ②下列示意图能表示氚原子的是 （填字母）。 （4）①将氢气压缩进储氢瓶过程中，发生改变的是 （从微观角度解释）。 ②石墨烯是一种 （填“单质”或“化合物”）。 ③化合物LixN中质量比m（Li）：m（N）＝3：2，则x＝ 。 6．氢能作为极具发展潜力的多元化能源，在我国经济发展中具有重要的地位。某校实践小组的同学们对此产生了浓厚的兴趣，他们对氢气的制取方法、应用优势、储存手段和发展前景等展开了项目式问题探究。 任务一：调查氢能制取方法 【咨询专家】小组同学通过数字化平台向专家进行咨询，知道了氢气可用多种工艺过程制备，方法有电解水制氢和工业副产品制氢等。 【模型构建】用可再生能源电解水制氢，将是应用广泛、技术成熟的一种手段。过程如下： 【交流讨论】（1）近年来，能用来发电的可再生能源有_________。 （2）化石燃料也可用于氢的制取，但不足之处有_________。 任务二：探究氢能应用优势 【提出问题】氢气作为理想能源的原因是什么？ 【进行实验】设计纯净氢气与天然气燃烧的对比实验 实验步骤 实验现象 实验结论 ①分别在带尖嘴的导管口点燃氢气和天然气，在火焰上方罩一个干冷的小烧杯 均有水生成 ②迅速把①中的烧杯倒过来，分別注入少量澄清石灰水，振荡 罩在天然气火焰上方烧杯内的澄清石灰水变浑浊，而氢气火焰上方的烧杯内无变化 【反思评价】（1）通过上述实验对比，氢气作为燃料的优点是 。 （2）在理想状态下，小组同学通过图1实验，将测得的实验数据绘制成的图像如图2所示，分析图像，可得出的结论是_________。 任务三：调研氢能储存手段 【查阅资料】我国绿氢规模化储存是商业化应用的基本保障，为了进行大量储存，通常将氢气转化为液氢，从微观角度分析，发生改变的是_________。 任务四：展望氢能发展前景 【市场调研】目前，氢燃料电池在公共交通中应用已较为成熟，其工作原理如图3所示，发生反应的化学方程式为_________，未来，氢能将在航空、航天、电力和建筑领域大力推广。 成果分享：通过问题探究，大家对氢能有了较为全面的认识。氢气作为一种理想的新型能源，其产业链包括“制—储—输—用”四个主要环节。因此，降本增效、规模化发展，将是我国经济增长和服务民生的一项重要举措。 参考答案 1～2．D、C； 3．（1）C；（2）A。 4．（1）氢原子（或H）（2压强（或压力）；（3）防止升温（或加热）时氢气与空气混合发生爆炸；B。 5．（1）C；（2）低；（3）①氢；②A；（4）①分子间的间隙；②单质；③3。 6．（1）太阳能等（合理即可）；（2）会产生大量污染物；（3）烧杯内壁均有水雾生成；氢气燃烧不生成二氧化碳，天然气燃烧生成二氧化碳；（4）燃烧产物只有水，不会对环境造成污染；（5）相同质量的可燃物，氢气燃烧的热值比天然气高；（6）分子间的间隔；（7）2H2＋O2 ( 催化剂 )2H2O。 学科网（北京）股份有限公司 $