Question

12．科学家利用太阳能分解水生成的氢气在催化剂作用下与二氧化碳反应生成甲醇（CH₃OH），并开发出直接以甲醇为燃料的燃料电池．已知H₂（g）、CO（g）和CH₃OH（l）的燃烧热△H分别为-285.8kJ•mol^-1、-283.0kJ•mol^-1和-726.5kJ•mol^-1
请回答下列问题：
（1）用太阳能分解10mol水消耗的能量是2858kJ；
（2）甲醇不完全燃烧生成一氧化碳和液态水的热化学方程式为CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2 H₂O（l）△H=-443.5kJ•mol^-1；
（3）在容积为2L的密闭容器中，由CO₂和H₂合成甲醇反应方程式为：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g），在其他条件不变得情况下，考察温度对反应的影响，实验结果如图所示，下列说法正确的是②⑤（填序号）
①250℃时，0～10minH₂反应速率为0.015mol/（L•min）
②该反应在T时生成甲醇的速率比250℃时的小
③T时，若3v（CO）=v（H₂），则该反应达到平衡
④若密闭容器中混合气体密度不变则该反应达到化学平衡状态
⑤平衡时CO₂的转化率：T℃时大于250℃时
（4）在T温度时，将1molCO₂和3molH₂充入一密闭恒容容器中，充分反应达到平衡后，若CO₂转化率为a，则容器内的压强与起始压强之比为1-$\frac{a}{2}$．
（5）在直接以甲醇为燃料的电池中，电解质溶液为碱性，负极的反应式为2CH₃OH+2H₂O-12e^-=2CO₂+12H⁺．

Answer 1

分析 （1）1mol H₂（g）燃烧生成1molH₂O（l）放出的热量为285.8kJ，据此计算分解10mol水消耗的能量；
（2）由CO（g）和CH₃OH（l）的燃烧热可得热化学方程式：
①CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=CO₂（g）△H=-283.0kJ•mol^-1
②CH₃OH（l）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2 H₂O（l）△H=-726.5kJ•mol^-1
根据盖斯定律，②-①可得：CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2 H₂O（l）；
（3）由图可知，250℃先达到平衡，则温度T＜250℃，又温度高时平衡状态CH₃OH的物质的量少，则说明升高温度反应CO₂+3H₂?CH₃OH+H₂O向逆反应方向移动，则正反应为放热反应，
①根据v=$\frac{\frac{△n}{V}}{△t}$计算250℃时，0～10min用H₂表示的反应速率；
②温度越高，反应速率越快；
③T时，若3v（CO）=v（H₂），没有告诉正逆反应，无法判断平衡状态；
④该反应过程中密度为定值；
⑤根据图象曲线判断平衡时CO₂的转化率大小；
（4）根据二氧化碳的转化率计算平衡时各物质的物质的量，恒温恒容下，压强之比对气体物质的量之比；
（5）原电池负极发生氧化反应，正极发生还原反应，甲醇在负极失去电子，酸性条件下生成二氧化碳，由电荷守恒可知，还生成氢离子．

解答 解：（1）1mol H₂（g）燃烧生成1molH₂O（l）放出的热量为为285.8kJ，分解10mol H₂O（l）消耗的能量为：285.8kJ×10=2858kJ，
故答案为：2858；
（2）由CO（g）和CH₃OH（l）的燃烧热可得热化学方程式：
①CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=CO₂（g）△H=-283.0kJ•mol^-1
②CH₃OH（l）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2 H₂O（l）△H=-726.5kJ•mol^-1
根据盖斯定律，②-①可得：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，
故热化学方程式为：CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2 H₂O（l）△H=-443.5kJ•mol^-1，
故答案为：CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2 H₂O（l）△H=-443.5kJ•mol^-1；
（3）由图可知，250℃先达到平衡，则温度T＜250℃，又温度高时平衡状态CH₃OH的物质的量少，则说明升高温度反应CO₂+3H₂?CH₃OH+H₂O向逆反应方向移动，则正反应为放热反应，
①250℃时，0～10min时用H₂表示的反应速率为：v（H₂）=3v（CH₃OH）=$\frac{\frac{0.15mol}{2L}}{10min}$×3=0.0225mol/（L•min），故①错误；
②根据分析可知温度T＜250℃，温度越高反应速率越快，则该反应在T时生成甲醇的速率比250℃时的小，故②正确；
③T时若3v（CO）=v（H₂），没有指出正逆反应，无法判断是否达到平衡状态，故③错误；
④该反应前后都是气体，气体的总质量不变，容器容积不变，则密度始终不变，不能根据密度判断平衡状态，故④错误；
⑤根据图象可知，平衡时甲醇的物质的量：T℃＞250℃，甲醇的物质的量越大说明二氧化碳的转化率越高，则平衡时CO₂的转化率：T℃时大于250℃，故⑤正确；
故答案为：②⑤；
（4）反应达到平衡后，若CO₂转化率为a，则：
           CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH（g）+H₂O（g）
起始（mol）：1        3        0        0
转化（mol）：a        3a       a        a
平衡（mol）：1-a      3-3a     a        a
根据相同条件下气体的压强之比等于物质的量之比，即（1-a+3-3a+a+a）：（1+3）=1-$\frac{a}{2}$，
故答案为：1-$\frac{a}{2}$；
（5）原电池负极发生氧化反应，正极发生还原反应，甲醇在负极失去电子，酸性条件下生成二氧化碳，由电荷守恒可知，还生成氢离子，负极电极反应式为2CH₃OH+2H₂O-12e^-=2CO₂+12H⁺，
故答案为：2CH₃OH+2H₂O-12e^-=2CO₂+12H⁺．

点评 本题考查较为综合，涉及化学平衡计算、反应热与焓变、原电池原理等知识，明确化学平衡及其影响为解答关键，注意掌握电解原理、反应热与焓变的应用，试题培养了学生的分析、理解能力及综合应用能力．