Question

利用太阳能分解水产生H₂，在催化剂作用下H₂与CO₂反应合成CH₃OH，并开发出直接以甲醇为燃料的燃料电池。已知：H₂(g)+1/2O₂(g)=H₂O(l) ΔH=－285.8 kJ·mol^－1、CH₃OH(l)+ 3/2O₂(g)= CO₂ (g)+ 2H₂O(l) ΔH=－726.5 kJ·mol^－1、CO(g) +1/2O₂(g)= CO₂ (g) ΔH=－283.0 kJ·mol^－1。
请回答下列问题：
⑴用太阳能分解18g水，需要消耗的能量为          kJ。
⑵ 液态CH₃OH不完全燃烧生成CO和液态H₂O的热化学方程式为             。
⑶CO₂合成燃料CH₃OH是碳减排的新方向。在容积为2 L的密闭容器中，充2 mol CO₂和6 mol H₂，由CO₂和H₂合成甲醇，反应式：CO₂(g)＋3H₂(g)CH₃OH(g)＋H₂O(g)，在其他条件不变的情况下，考察温度对反应的影响，实验结果如下图所示(注：T₁、T₂均大于300 ℃)：

①下列说法正确的是           
A．温度为T₂时，从反应开始到平衡，生成甲醇的平均速率为:  v(CH₃OH)＝n_B/t_B mol·(L·min)^－1
B．T₂＞T₁，T₂平衡时，甲醇产量变少，所以该反应为放热反应
C．该反应在T₂时的平衡常数比T₁时的平衡常数大
D．处于A点的反应体系从T₁变到T₂，平衡逆向移动
②能判断该反应已达化学反应限度标志的是        （填字母。
A．H₂的百分含量保持不变
B．容器中CO₂ 浓度与H₂浓度之比为1: 3
C．容器中混合气体的密度保持不变
D．CO₂消耗速率与CH₃OH生成速率相等
⑷科学家致力于CO₂的“组合转化”技术研究，如将CO₂和H₂以体积比1∶4比例混合通入反应器，适当条件下，反应可获得一种能源。完成以下化学方程式，就能知道该种能源。
CO₂＋4H₂2H₂O ＋         。
⑸ 在直接以甲醇为燃料的燃料电池中，电解质溶液为酸性，总反应式为：2CH₃OH + 3O₂＝2CO₂＋4H₂O，则正极的反应式为             ；负极的反应式为            。

Answer 1

(1) 285.8 （3分）  ⑵ CH₃OH(l) + O₂(g)＝CO(g) + 2H₂O(l)  ΔH=－443.5 kJ·mol^－1（3分）
⑶ ①BD（2分）  ②A （2分）      (4) CH₄（2分）
⑸ 4H⁺+O₂+4e^- = 2H₂O（2分）、   CH₃OH+H₂O-6e^- = CO₂+6H⁺（2分）

试题分析：（1）由H₂（g）的燃烧热△H为-285.8kJ?mol^-1知，1molH₂（g）完全燃烧生成1molH₂O（l）放出热量285.8kJ，即分解1mol H₂O（l）为1mol H₂（g）消耗的能量为285.8kJ，则分解18g水即1mol H₂O（l）消耗的能量为285.8kJ。
（2）由CO（g）和CH₃OH（l）的燃烧热△H分别为-283.0kJ?mol^-1和-726.5kJ?mol^-1，则
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，由盖斯定律可知用②-①得反应CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2 H₂O（l），
该反应的反应热△H=-726.5kJ?mol^-1-（-283.0kJ?mol^-1）＝－443.5kJ?mol^-1。
（3）①A、中按照其计算速率的方法可知反应速率=＝mol/L?min，故A错误；B、正反应为放热反应，根据题给图象分析可知，T₂先达到平衡则T₂＞T₁，又温度高时平衡状态CH₃OH的物质的量少，则说明可逆反应CO₂+3H₂CH₃OH+H₂O向逆反应方向移动，故正反应为放热反应，该反应的△H＜0，故B正确；C、正反应为放热反应，根据题给图象分析可知，T₂先达到平衡，则T₂＞T₁，该反应在T₁时的平衡常数比T₂时的大，C不正确；D、处于A点的反应体系从T₁变到T₂，温度升高，正方应放热，则平衡向逆反应方向移动，D正确，答案选BD。
②在一定条件下，当可逆反应的正反应速率和逆反应速率相等时（但不为0），反应体系中各种物质的浓度或含量不再发生变化的状态，称为化学平衡状态，则A、H₂的百分含量保持不变可以说明反应达到平衡状态，A正确；B、平衡时浓度不再发生变化，但各物质的浓度之间不一定相等或满足某种关系，因此容器中CO₂ 浓度与H₂浓度之比为1: 3不能说明反应达到平衡状态，B不正确；C、密度是混合气的质量和容器容积的比值，在反应过程中质量和容积始终是不变的，因此容器中混合气体的密度保持不变不能说明反应达到平衡状态，C不正确；D、CO₂消耗速率与CH₃OH生成速率方向一致，根据速率之比等于相应的化学计量数之比可知，二者的速率始终是相等的，不能说明达到平高姿态，D不正确，答案选A。
（4）根据原子守恒可知，反应中另外一种生成物是甲烷，即CO₂＋4H₂  CH₄＋2H₂O。
（5）直接以甲醇为燃料的电池中，电解质溶液为酸性，正极氧气得到电子，则正极电极反应式为4H⁺+O₂+4e^- = 2H₂O。甲醇燃料电池，燃料在负极失电子发生氧化反应，负极的反应式为CH₃OH+H₂O-6e^- = CO₂+6H⁺。