Question

5．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．（注：燃燒熱：1mol燃料完全燃燒所放出的能量即為該燃料的燃燒熱．）請回答下列問題：
（1）用太陽能分解10mol水，理論上消耗的能量是2858kJ；
（2）寫出甲醇完全燃燒的熱化學方程式為：CH₃OH（l）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2 H₂O（l）△H=-726.5kJ•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，實驗結果如圖所示（注：T₁、T₂均大于300℃）：
下列說法正確的是CD；
A．溫度T₁時，反應開始到平衡，生成甲醇的平均速率為：v（CH₃OH）=n_A/t_Amol•L^-1•min^-1
B．該反應在T₁時的平衡常數比T₂時的小
C．該反應為放熱反應
D．處于A點的反應體系從T₁變到T₂，達到平衡時$\frac{n（{H}_{2}）}{n（C{H}_{3}OH）}$增大
（4）在T₁溫度時，將1mol CO₂和3mol H₂充入一密閉恒容容器中，充分反應達到平衡后，若CO₂的轉化率為α，則容器內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，電解質溶液為酸性，正極的電極反應式為：O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O，總反應式為2CH₃OH+3O₂=2CO₂+4H₂O；
（6）理想狀態(tài)下，該燃料電池消耗1mol甲醇所能產生的最大電能為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與反應熱的關系來計算；
（2）根據CH₃OH的燃燒熱先書寫熱方程式，就是甲醇完全燃燒的熱化學方程式；
（3）根據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系來分析T₁、T₂，再利用影響平衡的因素來分析解答；
（4）根據化學平衡的三段法計算平衡時各物質的物質的量，再利用反應前后氣體的物質的量之比等于壓強之比來解答；
（5）甲醇燃料電池，甲醇在負極失電子發(fā)生氧化反應，氧氣在正極放電，酸性條件下生成水；
（6）CH₃OH（l）的燃燒熱為-726.5kJ，其產生的電能與燃燒放出的燃料的比即為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）CH₃OH（l）的燃燒熱△H為-726.5kJ•mol^-1，則CH₃OH（l）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2 H₂O（l）△H=-726.5kJ•mol^-1，故答案為：CH₃OH（l）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2 H₂O（l）△H=-726.5kJ•mol^-1；
（3）根據題給圖象分析可知，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時的平衡常數比T₂時的大；
A、v（CH₃OH）=$\frac{\frac{{n}_{A}}{2L}}{{t}_{A}}$=$\frac{{n}_{A}}{2{t}_{A}}$mol/L•min，故A錯誤；
B、正反應為放熱反應，根據題給圖象分析可知，T₂先達到平衡則T₂＞T₁，升高溫度，平衡向逆反應方向移動，該反應在T₁時的平衡常數比T₂時的大，故B錯誤；
C、依據圖象分析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，故C正確；
D、處于A點的反應體系從T₁變到T₂，升高溫度，平衡向逆反應方向移動，達到平衡時，氫氣物質的量增大、甲醇的物質的量減小，故$\frac{n（{H}_{2}）}{n（C{H}_{3}OH）}$增大，故D正確；
故答案為：CD；
（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        3a         a          a
平衡    1-a      3-3a       a          a
根據相同條件下氣體的壓強之比等于物質的量之比，
則容器內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）甲醇燃料電池，甲醇在負極失電子發(fā)生氧化反應，氧氣在正極放電，酸性條件下生成水，正極電極反應式為：O₂+4e^-+4H⁺═2H₂O，總的電極反應式為：2CH₃OH+3O₂=2CO₂+4H₂O；故答案為：O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O、2CH₃OH+3O₂=2CO₂+4H₂O；
（6）該燃料電池的理論效率=702.1kJ÷726.5kJ×100%=96.6%，故答案為：96.6%．

點評 本題考查了反應熱的計算、熱化學方程式的書寫和蓋斯定律的應用，原電池電極反應書寫方法，題目難度中等．