Question

利用太陽能分解水產(chǎn)生H₂，在催化劑作用下H₂與CO₂反應(yīng)合成CH₃OH，并開發(fā)出直接以甲醇為燃料的燃料電池。已知：H₂(g)+1/2O₂(g)=H₂O(l) ΔH=－285.8 kJ·mol^－1、CH₃OH(l)+ 3/2O₂(g)= CO₂ (g)+ 2H₂O(l) ΔH=－726.5 kJ·mol^－1、CO(g) +1/2O₂(g)= CO₂ (g) ΔH=－283.0 kJ·mol^－1。
請回答下列問題：
⑴用太陽能分解18g水，需要消耗的能量為          kJ。
⑵ 液態(tài)CH₃OH不完全燃燒生成CO和液態(tài)H₂O的熱化學(xué)方程式為             。
⑶CO₂合成燃料CH₃OH是碳減排的新方向。在容積為2 L的密閉容器中，充2 mol CO₂和6 mol H₂，由CO₂和H₂合成甲醇，反應(yīng)式：CO₂(g)＋3H₂(g)CH₃OH(g)＋H₂O(g)，在其他條件不變的情況下，考察溫度對反應(yīng)的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下圖所示(注：T₁、T₂均大于300 ℃)：

①下列說法正確的是           
A．溫度為T₂時，從反應(yīng)開始到平衡，生成甲醇的平均速率為:  v(CH₃OH)＝n_B/t_B mol·(L·min)^－1
B．T₂＞T₁，T₂平衡時，甲醇產(chǎn)量變少，所以該反應(yīng)為放熱反應(yīng)
C．該反應(yīng)在T₂時的平衡常數(shù)比T₁時的平衡常數(shù)大
D．處于A點(diǎn)的反應(yīng)體系從T₁變到T₂，平衡逆向移動
②能判斷該反應(yīng)已達(dá)化學(xué)反應(yīng)限度標(biāo)志的是        （填字母。
A．H₂的百分含量保持不變
B．容器中CO₂ 濃度與H₂濃度之比為1: 3
C．容器中混合氣體的密度保持不變
D．CO₂消耗速率與CH₃OH生成速率相等
⑷科學(xué)家致力于CO₂的“組合轉(zhuǎn)化”技術(shù)研究，如將CO₂和H₂以體積比1∶4比例混合通入反應(yīng)器，適當(dāng)條件下，反應(yīng)可獲得一種能源。完成以下化學(xué)方程式，就能知道該種能源。
CO₂＋4H₂2H₂O ＋         。
⑸ 在直接以甲醇為燃料的燃料電池中，電解質(zhì)溶液為酸性，總反應(yīng)式為：2CH₃OH + 3O₂＝2CO₂＋4H₂O，則正極的反應(yīng)式為             ；負(fù)極的反應(yīng)式為            。

Answer 1

(1) 285.8 （3分）  ⑵ CH₃OH(l) + O₂(g)＝CO(g) + 2H₂O(l)  ΔH=－443.5 kJ·mol^－1（3分）
⑶ ①BD（2分）  ②A （2分）      (4) CH₄（2分）
⑸ 4H⁺+O₂+4e^- = 2H₂O（2分）、   CH₃OH+H₂O-6e^- = CO₂+6H⁺（2分）

試題分析：（1）由H₂（g）的燃燒熱△H為-285.8kJ?mol^-1知，1molH₂（g）完全燃燒生成1molH₂O（l）放出熱量285.8kJ，即分解1mol H₂O（l）為1mol H₂（g）消耗的能量為285.8kJ，則分解18g水即1mol H₂O（l）消耗的能量為285.8kJ。
（2）由CO（g）和CH₃OH（l）的燃燒熱△H分別為-283.0kJ?mol^-1和-726.5kJ?mol^-1，則
①CO（g）+1/2O₂（g）=CO₂（g）△H=-283.0kJ?mol^-1，②CH₃OH（l）+3/2O₂（g）=CO₂（g）+2 H₂O（l）△H=-726.5kJ?mol^-1，由蓋斯定律可知用②-①得反應(yīng)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。
（3）①A、中按照其計(jì)算速率的方法可知反應(yīng)速率=＝mol/L?min，故A錯誤；B、正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，根據(jù)題給圖象分析可知，T₂先達(dá)到平衡則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+3H₂CH₃OH+H₂O向逆反應(yīng)方向移動，故正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，該反應(yīng)的△H＜0，故B正確；C、正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，根據(jù)題給圖象分析可知，T₂先達(dá)到平衡，則T₂＞T₁，該反應(yīng)在T₁時的平衡常數(shù)比T₂時的大，C不正確；D、處于A點(diǎn)的反應(yīng)體系從T₁變到T₂，溫度升高，正方應(yīng)放熱，則平衡向逆反應(yīng)方向移動，D正確，答案選BD。
②在一定條件下，當(dāng)可逆反應(yīng)的正反應(yīng)速率和逆反應(yīng)速率相等時（但不為0），反應(yīng)體系中各種物質(zhì)的濃度或含量不再發(fā)生變化的狀態(tài)，稱為化學(xué)平衡狀態(tài)，則A、H₂的百分含量保持不變可以說明反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，A正確；B、平衡時濃度不再發(fā)生變化，但各物質(zhì)的濃度之間不一定相等或滿足某種關(guān)系，因此容器中CO₂ 濃度與H₂濃度之比為1: 3不能說明反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，B不正確；C、密度是混合氣的質(zhì)量和容器容積的比值，在反應(yīng)過程中質(zhì)量和容積始終是不變的，因此容器中混合氣體的密度保持不變不能說明反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，C不正確；D、CO₂消耗速率與CH₃OH生成速率方向一致，根據(jù)速率之比等于相應(yīng)的化學(xué)計(jì)量數(shù)之比可知，二者的速率始終是相等的，不能說明達(dá)到平高姿態(tài)，D不正確，答案選A。
（4）根據(jù)原子守恒可知，反應(yīng)中另外一種生成物是甲烷，即CO₂＋4H₂  CH₄＋2H₂O。
（5）直接以甲醇為燃料的電池中，電解質(zhì)溶液為酸性，正極氧氣得到電子，則正極電極反應(yīng)式為4H⁺+O₂+4e^- = 2H₂O。甲醇燃料電池，燃料在負(fù)極失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，負(fù)極的反應(yīng)式為CH₃OH+H₂O-6e^- = CO₂+6H⁺。