Question

16．科學(xué)家利用太陽能分解水生成的氫氣在催化劑作用下與二氧化碳反應(yīng)生成甲醇，并開發(fā)出直接以甲醇為燃料的燃料電池．已知H₂（g）、CO（g）和CH₃OH（l）的燃燒熱△H分別為-285.8kJ•mol^-1、-283.0kJ•mol^-1和-726.5kJ•mol^-1．請回答下列問題：
（1）用太陽能分解10mol水消耗的能量是2858kJ；
（2）甲醇不完全燃燒生成一氧化碳和液態(tài)水的熱化學(xué)方程式為CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2 H₂O（l）△H=-443.5kJ•mol^-1；
（3）在容積為2L的密閉容器中，由CO₂和H₂合成甲醇，反應(yīng)式為CO₂+3H₂═CH₃OH+H₂O．在其他條件不變的情況下，考察溫度對反應(yīng)的影響，實驗結(jié)果如圖所示（注：T₁、T₂均大于300℃）：下列說法正確的是③④（填序號）
①溫度為T₁時，從反應(yīng)開始到平衡，生成甲醇的平均速率為 v（CH₃OH）=n_A/t_Amol•L^-1•min^-1
②該反應(yīng)在T₁時的平衡常數(shù)比T₂時的小
③該反應(yīng)為放熱反應(yīng)
④處于A點的反應(yīng)體系從T₁變到T₂，達(dá)到平衡時$\frac{n（{H}_{2}）}{n（C{H}_{3}OH）}$增大
（4）在T₁溫度時，將1molCO₂和3molH₂充入一密閉恒容器中，充分反應(yīng)達(dá)到平衡后，若CO₂轉(zhuǎn)化率為a，則容器內(nèi)的壓強(qiáng)與起始壓強(qiáng)之比為1-$\frac{a}{2}$；（用a的代數(shù)式表示）
（5）在直接以甲醇為燃料電池中，電解質(zhì)溶液為堿性，負(fù)極的反應(yīng)式為2CH₃OH+2H₂O-12e^-=2CO₂+12H⁺．理想狀態(tài)下，該燃料電池消耗1mol甲醇所能產(chǎn)生的最大電能為702.1KJ，則該燃料電池的理論效率為96.6%（燃料電池的理論效率是指電池所產(chǎn)生的最大電能與燃料電池反應(yīng)所能釋放的全部能量之比）．

Answer 1

分析 （1）1mol H₂（g）燃燒生成1molH₂O（l）放出的熱量為285.8kJ，據(jù)此計算分解10mol水消耗的能量；
（2）由CO（g）和CH₃OH（l）的燃燒熱可得熱化學(xué)方程式：
①CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=CO₂（g）△H=-283.0kJ•mol^-1
②CH₃OH（l）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2 H₂O（l）△H=-726.5kJ•mol^-1
根據(jù)蓋斯定律，②-①可得：CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2 H₂O（l）；
（3）由圖可知，T₂先達(dá)到平衡，則溫度T₂＞T₁，又溫度高時平衡狀態(tài)CH₃OH的物質(zhì)的量少，則說明可逆反應(yīng)CO₂+3H₂?CH₃OH+H₂O向逆反應(yīng)方向移動，故正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，則T₁時的平衡常數(shù)比T₂時的大，故反應(yīng)體系從T₁變到T₂，達(dá)到平衡時$\frac{n（{H}_{2}）}{n（C{H}_{3}OH）}$增大，①中按照其計算速率的方法可知反應(yīng)速率的單位錯誤，應(yīng)為mol•min^-1；
（4）根據(jù)二氧化碳的轉(zhuǎn)化率計算平衡時各物質(zhì)的物質(zhì)的量，恒溫恒容下，壓強(qiáng)之比對氣體物質(zhì)的量之比；
（5）原電池負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，正極發(fā)生還原反應(yīng)，甲醇在負(fù)極失去電子，酸性條件下生成二氧化碳，由電荷守恒可知，還生成氫離子；
計算1mol甲醇反應(yīng)放出的熱量，進(jìn)而計算該燃料電池的理論效率．

解答 解：（1）1mol H₂（g）燃燒生成1molH₂O（l）放出的熱量為為285.8kJ，分解10mol H₂O（l）消耗的能量為285.8kJ×10=2858kJ，故答案為：2858；
（2）由CO（g）和CH₃OH（l）的燃燒熱可得熱化學(xué)方程式：
①CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=CO₂（g）△H=-283.0kJ•mol^-1
②CH₃OH（l）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2 H₂O（l）△H=-726.5kJ•mol^-1
根據(jù)蓋斯定律，②-①可得：CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2 H₂O（l），該反應(yīng)的反應(yīng)熱△H=-726.5kJ•mol^-1-（-283.0kJ•mol^-1）=-443.5kJ•mol^-1，
故熱化學(xué)方程式為：CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2 H₂O（l）△H=-443.5kJ•mol^-1，
故答案為：CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2 H₂O（l）△H=-443.5kJ•mol^-1；
（3）①按照其計算速率的方法可知反應(yīng)速率的單位錯誤，應(yīng)為mol•min^-1，一般用單位時間內(nèi)濃度變化量表示反應(yīng)速率，故①錯誤；
②由圖可知，T₂先達(dá)到平衡，則溫度T₂＞T₁，又溫度高時平衡狀態(tài)CH₃OH的物質(zhì)的量少，則說明可逆反應(yīng)CO₂+3H₂?CH₃OH+H₂O向逆反應(yīng)方向移動，則T₁時的平衡常數(shù)比T₂時的大，故②錯誤；
③升高溫度，平衡逆向移動，故正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，故③正確；
④反應(yīng)體系從T₁變到T₂，平衡逆向移動，則達(dá)到平衡時$\frac{n（{H}_{2}）}{n（C{H}_{3}OH）}$增大，故④正確；
故選：③④；
（4）反應(yīng)達(dá)到平衡后，若CO₂轉(zhuǎn)化率為a，則：
           CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH（g）+H₂O（g）
起始（mol）：1        3        0        0
轉(zhuǎn)化（mol）：a        3a       a        a
平衡（mol）：1-a      3-3a     a        a
根據(jù)相同條件下氣體的壓強(qiáng)之比等于物質(zhì)的量之比，即（1-a+3-3a+a+a）：（1+3）=1-$\frac{a}{2}$，
故答案為：1-$\frac{a}{2}$；
（5）原電池負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，正極發(fā)生還原反應(yīng)，甲醇在負(fù)極失去電子，酸性條件下生成二氧化碳，由電荷守恒可知，還生成氫離子，負(fù)極電極反應(yīng)式為2CH₃OH+2H₂O-12e^-=2CO₂+12H⁺，
由CH₃OH（l）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2 H₂O（l）△H=-726.5kJ•mol^-1，可知1mol甲醇反應(yīng)放出的熱量為725.6kJ，則該燃料電池的理論效率為$\frac{702.1kJ}{726.5kJ}$×100%=96.6%，
故答案為：2CH₃OH+2H₂O-12e^-=2CO₂+12H⁺；96.6%．

點評 本題考查化學(xué)平衡計算與影響因素、熱化學(xué)方程式、原電池等，題目比較綜合，需要學(xué)生具備扎實的基礎(chǔ)，難度中等．