Question

13．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，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（1）的燃烧热△H分别为-285.8kJ/mol、-283.0kJ/mol和-726.5kJ/mol．请回答下列问题：
（1）用太阳能分解10mol H₂O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=-443.6kJ•mol^-1．
（3）在直接以甲醇为燃料的燃料电池中，电解质溶液为稀硫酸，负极的反应式为CH₃OH+H₂O-6e^-═CO₂+6H⁺；正极的反应式为$\frac{3}{2}$O₂+6H⁺+6e^-═3H₂O，理想状态下，该燃料电池消耗1mol甲醇所能产生的最大电能为701.8kJ，则该燃料电池的理论效率为96.6%（燃料电池的理论效率是指电池所产生的最大电能与燃料电池反应所能释放的全部能量之比）．
（4）若用该甲醇燃料电池电解某CuSO₄溶液，一段时间后，向电解液中加入0.1molCu₂（OH）₂CO₃恰好可以恢复原溶液，电解过程消耗甲醇的质量为3.2g．

Answer 1

分析 （1）根据氢气的燃烧热可知水分解吸收的能量，然后利用化学计量数与反应热的关系来计算；
（2）根据热化学方程式书写方法和注意问题标注物质聚集状态和对应焓变；
（3）甲醇燃料电池，甲醇在负极失电子发生氧化反应，氧气在正极放电，酸性条件下生成水；根据甲醇的燃烧热计算2mol甲醇完全燃烧放出的热量，结合原电池产生的电能计算；
（4）碱式碳酸铜和稀硫酸反应生成硫酸铜、水和二氧化碳，所以加入0.1mol碱式碳酸铜[Cu₂（OH）₂CO₃]相当于加入0.2molCuO、0.1molH₂O，根据生成物知，阴极上铜离子和氢离子放电、阳极甲醇放电，根据铜和氢气的物质的量与转移电子之间的关系式计算转移电子的物质的量，并求消耗甲醇的质量．

解答 解：（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10mol H₂O（l）消耗的能量为285.8kJ×10=2858kJ，
故答案为：2858；
（2）H₂（g）、CO（g）和CH₃OH（1）的燃烧热△H分别为-285.8kJ/mol、-283.0kJ/mol和-726.5kJ/mol，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）=-443.6kJ•mol^-1，
故答案为：CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2 H₂O（l）△H=-443.6kJ•mol^-1；
（3）酸性条件下甲醇燃料电池的总反应式为：CH₃OH+$\frac{3}{2}$O₂═CO₂+2H₂O①，酸性条件下该燃料电池的正极反应式为$\frac{3}{2}$O₂+6H⁺+6e^-═3H₂O②，①-②得电池负极反应式为：CH₃OH+H₂O-6e^-═CO₂+6H⁺；该燃料电池的理论效率为$\frac{701.8kJ}{726.5kJ}$×100%=96.6%，
故答案为：CH₃OH+H₂O-6e^-═CO₂+6H⁺；$\frac{3}{2}$O₂+6H⁺+6e^-═3H₂O；96.6%；
（4）碱式碳酸铜和稀硫酸反应生成硫酸铜、水和二氧化碳，所以加入0.1mol碱式碳酸铜[Cu₂（OH）₂CO₃]相当于加入0.2molCuO、0.1molH₂O，根据生成物知，阴极上铜离子和氢离子放电、阳极上甲醇放电，根据Cu原子、H原子守恒得阴极上析出n（Cu）=0.2mol、n（H₂）=0.1mol，则转移电子的物质的量=0.2mol×2+0.1mol×2=0.6mol，
阳极：CH₃OH+H₂O-6e^-═CO₂+6H⁺
          32g        6mol
         3.2g       0.6mol
则：m（CH₃OH）=3.2g，
故答案为：3.2．

点评 本题考查了热化学方程式的书写和盖斯定律的应用、原电池电极方程式的书写，电极材料计算等知识，本题题目难度中等．