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，并开发出直接以甲醇为燃料的燃料电池．已知1mol  H₂（g）、CO（g）和CH₃OH（l）的燃烧放出的热量为分别为285.8kJ、283.0kJ和726.5kJ．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，在其他条件不变得情况下，考察温度对反应的影响，实验结果如下图所示（注：T₁、T₂均大于300℃）；下列说法正确的是③④（填序号）
①温度为T₁时，从反应开始到平衡，生成甲醇的平均速率为v（CH₃OH）=$\frac{{n}_{A}}{{t}_{A}}$mol•L^-1•min^-1
②该反应在T时的平衡常数比T₂时的小
③该反应为放热反应
④处于A点的反应体系从T₁变到T₂，达到平衡时$\frac{n（{H}_{2}）}{n（C{H}_{3}OH）}$增大
（4）在T₁温度时，将1molCO₂和3molH₂充入一密闭恒容器中，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（2-a）：2；
（5）在直接以甲醇为燃料电池中，电解质溶液为酸性，负极的反应式为2CH₃OH+2H₂O-12e^-=2CO₂+12H⁺、正极的反应式为3O₂++12H⁺+12e^-=6H₂O．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702.1kJ，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）

Answer 1

分析 （1）1mol H₂（g）燃烧生成1molH₂O（l）放出的热量为为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，T₂先达到平衡，则温度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+3H₂?CH₃OH+H₂O向逆反应方向移动，故正反应为放热反应，则T₁时的平衡常数比T₂时的大，故反应体系从T₁变到T₂，达到平衡时$\frac{n（{H}_{2}）}{n（C{H}_{3}OH）}$增大，①中按照其计算速率的方法可知反应速率的单位错误，应为mol•min^-1；
（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，正极上是氧气获得电子，酸性条件下生成水；
计算1mol甲醇反应放出的热量，进而计算该燃料电池的理论效率．

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）①按照其计算速率的方法可知反应速率的单位错误，应为mol•min^-1，一般用单位时间内浓度变化量表示反应速率，故①错误；
②由图可知，T₂先达到平衡，则温度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+3H₂?CH₃OH+H₂O向逆反应方向移动，则T₁时的平衡常数比T₂时的大，故②错误；
③升高温度，平衡逆向移动，故正反应为放热反应，故③正确；
④反应体系从T₁变到T₂，平衡逆向移动，则达到平衡时$\frac{n（{H}_{2}）}{n（C{H}_{3}OH）}$增大，故④正确；
故选：③④；
（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）=（2-a）：2，
故答案为：（2-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⁺，正极上是氧气获得电子，酸性条件下生成水，正极电极反应式为：3O₂++12H⁺+12e^-=6H₂O，
由CH₃OH（l）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2 H₂O（l）△H=-726.5kJ•mol^-1，可知1mol甲醇反应放出的热量为725.6kJ，则该燃料电池的理论效率为$\frac{702.1kJ}{726.5kJ}$×100%=96.6%，
故答案为：2CH₃OH+2H₂O-12e^-=2CO₂+12H⁺；3O₂++12H⁺+12e^-=6H₂O；96.6%．

点评 本题考查化学平衡计算与影响因素、热化学方程式、原电池等，题目比较综合，需要学生具备扎实的基础，难度中等．