Question

12．科學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生成甲醇，并開發(fā)出直接以甲醇為燃料的燃料電池．已知1mol  H₂（g）、CO（g）和CH₃OH（l）的燃燒放出的熱量為分別為285.8kJ、283.0kJ和726.5kJ．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，在其他條件不變得情況下，考察溫度對反應的影響，實驗結果如下圖所示（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，從反應開始到平衡，生成甲醇的平均速率為v（CH₃OH）=$\frac{{n}_{A}}{{t}_{A}}$mol•L^-1•min^-1
②該反應在T時的平衡常數比T₂時的小
③該反應為放熱反應
④處于A點的反應體系從T₁變到T₂，達到平衡時$\frac{n（{H}_{2}）}{n（C{H}_{3}OH）}$增大
（4）在T₁溫度時，將1molCO₂和3molH₂充入一密閉恒容器中，充分反應達到平衡后，若CO₂轉化率為a，則容器內的壓強與起始壓強之比為（2-a）：2；
（5）在直接以甲醇為燃料電池中，電解質溶液為酸性，負極的反應式為2CH₃OH+2H₂O-12e^-=2CO₂+12H⁺、正極的反應式為3O₂++12H⁺+12e^-=6H₂O．理想狀態(tài)下，該燃料電池消耗1mol甲醇所能產生的最大電能為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生的最大電能與燃料電池反應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）放出的熱量為為285.8kJ，據此計算分解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先達到平衡，則溫度T₂＞T₁，又溫度高時平衡狀態(tài)CH₃OH的物質的量少，則說明可逆反應CO₂+3H₂?CH₃OH+H₂O向逆反應方向移動，故正反應為放熱反應，則T₁時的平衡常數比T₂時的大，故反應體系從T₁變到T₂，達到平衡時$\frac{n（{H}_{2}）}{n（C{H}_{3}OH）}$增大，①中按照其計算速率的方法可知反應速率的單位錯誤，應為mol•min^-1；
（4）根據二氧化碳的轉化率計算平衡時各物質的物質的量，恒溫恒容下，壓強之比對氣體物質的量之比；
（5）原電池負極發(fā)生氧化反應，正極發(fā)生還原反應，甲醇在負極失去電子，酸性條件下生成二氧化碳，由電荷守恒可知，還生成氫離子，正極上是氧氣獲得電子，酸性條件下生成水；
計算1mol甲醇反應放出的熱量，進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
根據蓋斯定律，②-①可得：CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2 H₂O（l），該反應的反應熱△H=-726.5kJ•mol^-1-（-283.0kJ•mol^-1）=-443.5kJ•mol^-1，
故熱化學方程式為：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速率的單位錯誤，應為mol•min^-1，一般用單位時間內濃度變化量表示反應速率，故①錯誤；
②由圖可知，T₂先達到平衡，則溫度T₂＞T₁，又溫度高時平衡狀態(tài)CH₃OH的物質的量少，則說明可逆反應CO₂+3H₂?CH₃OH+H₂O向逆反應方向移動，則T₁時的平衡常數比T₂時的大，故②錯誤；
③升高溫度，平衡逆向移動，故正反應為放熱反應，故③正確；
④反應體系從T₁變到T₂，平衡逆向移動，則達到平衡時$\frac{n（{H}_{2}）}{n（C{H}_{3}OH）}$增大，故④正確；
故選：③④；
（4）反應達到平衡后，若CO₂轉化率為a，則：
           CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH（g）+H₂O（g）
起始（mol）：1       3         0        0
轉化（mol）：a       3a        a        a
平衡（mol）：1-a     3-3a      a        a
根據相同條件下氣體的壓強之比等于物質的量之比，即（1-a+3-3a+a+a）：（1+3）=（2-a）：2，
故答案為：（2-a）：2；
（5）原電池負極發(fā)生氧化反應，正極發(fā)生還原反應，甲醇在負極失去電子，酸性條件下生成二氧化碳，由電荷守恒可知，還生成氫離子，負極電極反應式為2CH₃OH+2H₂O-12e^-=2CO₂+12H⁺，正極上是氧氣獲得電子，酸性條件下生成水，正極電極反應式為：3O₂++12H⁺+12e^-=6H₂O，
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⁺；3O₂++12H⁺+12e^-=6H₂O；96.6%．

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