Question

【題目】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)的燃燒熱分別為285.8kJ·mol-1、283.0kJ·mol-1和726.5kJ·mol-1。回答下列問題：

（1）用太陽能分解100g水消耗的能量是_______kJ。

（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____________。

（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(yīng)的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖所示（注：T1、T2均大于300℃）；下列說法正確的是________（填序號）。

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)=mol·L-1·min-1

②該反應(yīng)在T1時(shí)的平衡常數(shù)比T2時(shí)的小

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)增大

（4）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)與起始壓強(qiáng)之比為___________。

（5）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_____________。理想狀態(tài)下，該燃料電池消耗1molCH3OH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

【答案】1588 kJ CH3OH(l) ＋O2(g) ===CO(g) + 2H2O(l) ΔH＝-443.5kJ·mol-1 ③④ （2－a）/2 CH3OH－6e-＋H2O===CO2＋6H＋ 96.64%

【解析】

（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）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；

（4）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；

（5）根據(jù)燃料電池原理及電解質(zhì)溶液的酸堿性書寫電極反應(yīng)式，根據(jù)題給表達(dá)式計(jì)算理論效率。

（1）由H2(g)的燃燒熱△H為285.8 kJ·mol-1知，1molH2(g)完全燃燒生成1molH2O(l)放出熱量285.8kJ，根據(jù)化學(xué)計(jì)量數(shù)及能量守恒原理分析知分解1molH2O(l)為1molH2(g)消耗的能量為285.8kJ，則分解100gH2O(l)消耗的能量為285.8kJ×=1588 kJ，故答案為：1588 kJ；

（2）由CO(g)和CH3OH(l)的燃燒熱△H分別為283.0 kJ·mol-1和726.5 kJ·mol-1，則

①CO(g)+1/2O2(g)=CO2(g) △H=283.0 kJ·mol-1

②CH3OH(l)+3/2O2(g)=CO2(g)+2H2O(l) △H=726.5 kJ·mol-1

由蓋斯定律可知用②①得反應(yīng)CH3OH(l)+O2(g)=CO(g)+2H2O(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) + 2H2O(l) ΔH＝-443.5kJ·mol-1；

（3）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+3H2CH3OH+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，③、④正確；②中該反應(yīng)在T1時(shí)的平衡常數(shù)比T2時(shí)的大，則②錯(cuò)誤，①中按照其計(jì)算速率的方法可知反應(yīng)速率的單位錯(cuò)誤，應(yīng)為mol·min1，則①錯(cuò)誤，故答案為：③④；

（4）由化學(xué)平衡的三段模式法計(jì)算可知，

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)與起始壓強(qiáng)之比為 =(2－a)/2， 故答案為：(2－a)/2；

（5）甲醇燃料電池中，甲醇為負(fù)極，失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)，電解質(zhì)為酸性所以產(chǎn)物為CO2，故電極反應(yīng)式為：CH3OH－6e-＋H2O=CO2＋6H＋；根據(jù)甲醇的燃燒熱及能量守恒定律分析，1mol甲醇作為燃料電池的燃料所釋放的全部能量為726.5kJ，則理論效率為：，故答案為：CH3OH－6e-＋H2O=CO2＋6H＋；96.64%。