Question

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．CO（g）的燃燒熱△H為-283.0kJ?mol^-1，已知1mol甲醇（CH₃OH）完全燃燒放出熱量為726.5kJ．請(qǐng)回答下列問題：
（1）甲醇不完全燃燒生成一氧化碳和液態(tài)水的化學(xué)方程式為

 

；
（2 ）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(duì)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℃）；下列說法正確的是

 

（填序號(hào)）
①溫度為T₁時(shí)，從反應(yīng)開始到平衡，生成甲醇的平均速率為v（CH₃OH）=

nA

lA

mol?L^-1?min^-1
②該圖中T₁大于T₂
③該反應(yīng)為放熱反應(yīng)
④處于A點(diǎn)的反應(yīng)體系從T₁變到T₂，達(dá)到平衡時(shí)

n(H2)

n(CH3OH)

增大
（3）在T₁溫度時(shí)，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?jí)簭?qiáng)之比為

 

；
（4）在直接以甲醇（CH₃OH）為燃料電池中，電解質(zhì)溶液為酸性，負(fù)極的反應(yīng)式為

 

、正極的反應(yīng)式為

 

．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

 

（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

考點(diǎn)：物質(zhì)的量或濃度隨時(shí)間的變化曲線,熱化學(xué)方程式,原電池和電解池的工作原理

專題：

分析：（1）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；
（2）根據(jù)圖象中甲醇的變化來計(jì)算反應(yīng)速率，并利用圖象中時(shí)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；
（3）根據(jù)化學(xué)平衡的三段法計(jì)算平衡時(shí)各物質(zhì)的物質(zhì)的量，再利用反應(yīng)前后氣體的物質(zhì)的量之比等于壓強(qiáng)之比來解答；
（4）根據(jù)原電池中負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，正極發(fā)生還原反應(yīng)，并考慮電解質(zhì)溶液參與電極反應(yīng)來分析，并利用電池所產(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來計(jì)算燃料電池的理論效率．

解答： 解：（1）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

2

O₂（g）=CO₂（g）△H=-283.0kJ?mol^-1
②CH₃OH（l）+

1

2

O₂（g）=CO₂（g）+2 H₂O（l）△H=-726.5kJ?mol^-1
由蓋斯定律可知，②-①得反應(yīng)CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2 H₂O（l），則△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；
（2）根據(jù)題給圖象分析可知，T₂先達(dá)到平衡則T₂＞T₁，由溫度升高反應(yīng)速率增大可知T₂的反應(yīng)速率大于T₁，又溫度高時(shí)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(dòng)，故正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，則T₁時(shí)的平衡常數(shù)比T₂時(shí)的大；
①v（CH₃OH）=

nA 2L

tA

=

nA

2tA

mol/L?min，故①錯(cuò)誤；
②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，升高溫度，平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，該反應(yīng)在T₁時(shí)的平衡常數(shù)比T₂時(shí)的大，故②錯(cuò)誤；
③由圖象可知T₂先達(dá)到平衡，則T₂＞T₁，由溫度升高反應(yīng)速率增大可知T₂的反應(yīng)速率大于T₁，又溫度高時(shí)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(dòng)，故正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，故③正確；
④處于A點(diǎn)的反應(yīng)體系從T₁變到T₂，升高溫度，平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，達(dá)到平衡時(shí)，氫氣物質(zhì)的量增大、甲醇的物質(zhì)的量減小，故

n(H2)

n(CH3OH)

增大，故④正確；
故答案為：③④；
（3）CO₂轉(zhuǎn)化率為a，則轉(zhuǎn)化的物質(zhì)的量為amol，則
     CO₂ （g）+3H₂（g）=CH₃OH（g）+H₂O（g）
起始   1          3      0         0
變化   a          3a     a         a
平衡  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，
則容器內(nèi)的壓強(qiáng)與起始?jí)簭?qiáng)之比為=（1-a+3-3a+a+a）：（1+3）=（2-a）：2，
故答案為：（2-a）：2；
（4）由燃料電池是原電池的一種，負(fù)極失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，正極得電子發(fā)生還原反應(yīng)，甲醇燃燒生成二氧化碳和水，
但在酸性介質(zhì)中，正極不會(huì)生成大量氫離子，則電解質(zhì)參與電極反應(yīng)，甲醇燃料電池的負(fù)極反應(yīng)式為CH₃OH+H₂O-6e^-=CO₂+6H⁺，
正極反應(yīng)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(diǎn)評(píng)：本題考查濃度與時(shí)間的圖象，為高頻考點(diǎn)，涉及燃燒熱、蓋斯定律、熱化學(xué)反應(yīng)方程式、反應(yīng)速率、化學(xué)平衡、原電池等重要知識(shí)，綜合性較強(qiáng)，側(cè)重分析與應(yīng)用能力的考查，題目難度不大．