Question

13．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(qǐng)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，在其他條件不變得情況下，考察溫度對(duì)反應(yīng)的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖所示（注：T₁、T₂均大于300℃）．

判斷該可逆反應(yīng)達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)的標(biāo)志是③④（填字母）．
①．v生成（CH₃OH）=v消耗（CO₂）      ②．混合氣體的密度不再改變
③．CO₂、H₂、CH₃OH的濃度均不再變化    ④．混合氣體的壓強(qiáng)不再改變
（4）在直接以甲醇為燃料電池中，電解質(zhì)溶液為酸性，負(fù)極的反應(yīng)式為CH₃OH+H₂O-6e^-═CO₂+6H⁺、正極的反應(yīng)式為O₂+4H⁺+4e^-═2H₂O．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96.64%（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）由氫氣的燃燒熱可知水分解吸收的能量，然后利用化學(xué)計(jì)量數(shù)與反應(yīng)熱的關(guān)系來計(jì)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(xué)方程式；
（3）反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，正逆反應(yīng)速率相等但不等于0，平衡時(shí)各種物質(zhì)的物質(zhì)的量、濃度等不再發(fā)生變化，可由此進(jìn)行判斷；
（4）甲醇燃料電池，甲醇在負(fù)極失電子發(fā)生氧化反應(yīng)生成二氧化碳，氧氣在正極上得電子生成水；1mol甲醇完全燃燒放出726.5kJ能量，根據(jù)已知的1mol甲醇所能產(chǎn)生的最大電能計(jì)算．

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(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，
故答案為：CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2 H₂O（l）△H=-443.5kJ•mol^-1；
（3）由CO₂和H₂合成甲醇，其反應(yīng)為CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
①．生成甲醇為正反應(yīng)速率，消耗二氧化碳為正反應(yīng)速率，都是正反應(yīng)速率，不能判斷反應(yīng)是否達(dá)到平衡狀態(tài)，故錯(cuò)誤；
②．在容積為2L的密閉容器中，氣體的體積不變，質(zhì)量守恒，所以混合氣體的密度始終不變，不能根據(jù)密度判斷反應(yīng)是否達(dá)到平衡狀態(tài)，故錯(cuò)誤；
③．隨著反應(yīng)進(jìn)行CO₂、H₂的濃度逐漸減小，CH₃OH的濃度逐漸增大，當(dāng)各物質(zhì)的濃度保持不變，說明反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，故正確；
④．該反應(yīng)是氣體減少的反應(yīng)，隨著反應(yīng)進(jìn)行氣體的物質(zhì)的量減少，則混合氣體的壓強(qiáng)減小，當(dāng)混合氣體的壓強(qiáng)不再改變，說明反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，故正確．
故答案為：③④；
（4）甲醇燃料電池，甲醇在負(fù)極失電子發(fā)生氧化反應(yīng)生成二氧化碳，則負(fù)極的電極方程式為：CH₃OH+H₂O-6e^-═CO₂+6H⁺，氧氣在正極上得電子生成水，正極發(fā)生的電極反應(yīng)式是：O₂+4H⁺+4e^-═2H₂O；1mol甲醇完全燃燒放出726.5kJ能量，已知的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$\frac{702.1kJ}{726.5kJ}$×%=96.64%．
故答案為：CH₃OH+H₂O-6e^-═CO₂+6H⁺；O₂+4H⁺+4e^-═2H₂O；96.64%．

點(diǎn)評(píng) 本題綜合性較強(qiáng)，考查知識(shí)點(diǎn)較多，注重了對(duì)高考熱點(diǎn)的考查，題目涉及燃燒熱、蓋斯定律、熱化學(xué)反應(yīng)方程式、化學(xué)平衡狀態(tài)的判斷、燃料電池等重要知識(shí)，題目難度中等，側(cè)重于考查學(xué)生的分析能力和對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的綜合應(yīng)用能力．