Question

（2011?江西）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

2858

kJ；
（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）+2H₂O（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，在其他條件不變的情況下，考察溫度對反應的影響，實驗結(jié)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）=

nA

tA

mol?L^-1?min^-1
②該反應在T₁時的平衡常數(shù)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

n(H2)

n(CH3OH)

增大
（4）在T₁溫度時，將1molCO₂和3molH₂充入一密閉恒容容器中，充分反應達到平衡后，若CO₂轉(zhuǎn)化率為a，則容器內(nèi)的壓強與起始壓強之比為

2-a

2

；
（5）在直接以甲醇為燃料的燃料電池中，電解質(zhì)溶液為酸性，負極的反應式為

CH₃OH+H₂O-6e^-=CO₂+6H⁺

，正極的反應式為

3

2

O₂+6H⁺+6e^-=3H₂O

．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所能釋放的全部能量之比）．

Answer 1

分析：（1）根據(jù)氫氣的燃燒熱可知水分解吸收的能量，然后利用化學計量數(shù)與反應熱的關(guān)系來計算；
（2）根據(jù)CO和CH₃OH的燃燒熱先書寫熱方程式，再利用蓋斯定律來分析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；
（3）根據(jù)圖象中甲醇的變化來計算反應速率，并利用圖象中時間與速率的關(guān)系來分析T₁、T₂，再利用影響平衡的因素來分析解答；
（4）根據(jù)化學平衡的三段法計算平衡時各物質(zhì)的物質(zhì)的量，再利用反應前后氣體的物質(zhì)的量之比等于壓強之比來解答；
（5）根據(jù)原電池中負極發(fā)生氧化反應，正極發(fā)生還原反應，并考慮電解質(zhì)溶液參與電極反應來分析，并利用電池所產(chǎn)生的最大電能與燃料電池反應所能釋放的全部能量之比來計算燃料電池的理論效率．

解答：解：（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△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，
故答案為：CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2 H₂O（l）△H=-443.5kJ?mol^-1；
（3）根據(jù)題給圖象分析可知，T₂先達到平衡則T₂＞T₁，由溫度升高反應速率增大可知T₂的反應速率大于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(shù)比T₂時的大，③、④正確，②中該反應在T₁時的平衡常數(shù)比T₂時的大，則②錯誤，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，則①錯誤，故答案為：③④；
（4）由化學平衡的三段模式法計算可知，
CO₂ （g）+3H₂（g）=CH₃OH（g）+H₂O（g）
起始  1        3       0        0
變化  a        3 a      a        a
平衡 1-a       3-3a     a        a
根據(jù)相同條件下氣體的壓強之比等于物質(zhì)的量之比，
則容器內(nèi)的壓強與起始壓強之比為

(1-a+3-3a+a+a)

1+3

=

2-a

2

，
故答案為：

2-a

2

；
（5）由燃料電池是原電池的一種，負極失電子發(fā)生氧化反應，正極得電子發(fā)生還原反應，甲醇燃燒生成二氧化碳和水，
但在酸性介質(zhì)中，正極不會生成大量氫離子，則電解質(zhì)參與電極反應，甲醇燃料電池的負極反應式為CH₃OH+H₂O-6e^-=CO₂+6H⁺，
正極反應式為

3

2

O₂+6H⁺+6e^-=3H₂O，又該電池的理論效率為消耗1mol甲醇所能產(chǎn)生的最大電能與其燃燒熱之比，則電池的理論效率為

702.1

726.5

×100%=96.6%，故答案為：CH₃OH+H₂O-6e^-=CO₂+6H⁺；

3

2

O₂+6H⁺+6e^-=3H₂O；96.6%．

點評：本題綜合性較強，考查知識點較多，注重了對高考熱點的考查，學生應熟悉燃燒熱、蓋斯定律、熱化學反應方程式、反應速率、化學平衡、原電池等重要知識來解答．