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5.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(l)的燃烧热△H分别为-285.8kJ•mol-1、-283.0kJ•mol-1和-726.5kJ,•mol-1.(注:燃烧热:1mol燃料完全燃烧所放出的能量即为该燃料的燃烧热.)请回答下列问题:
(1)用太阳能分解10mol水,理论上消耗的能量是2858kJ;
(2)写出甲醇完全燃烧的热化学方程式为:CH3OH(l)+$\frac{3}{2}$O2(g)=CO2(g)+2 H2O(l)△H=-726.5kJ•mol-1;
(3)在容积为2L的密闭容器中,由CO2和H2合成甲醇,在其他条件不变的情况下,考察温度对反应的影响,实验结果如图所示(注:T1、T2均大于300℃):
下列说法正确的是CD;
A.温度T1时,反应开始到平衡,生成甲醇的平均速率为:v(CH3OH)=nA/tAmol•L-1•min-1
B.该反应在T1时的平衡常数比T2时的小
C.该反应为放热反应
D.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1mol CO2和3mol H2充入一密闭恒容容器中,充分反应达到平衡后,若CO2的转化率为α,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的燃料电池中,电解质溶液为酸性,正极的电极反应式为:O2+4e-+4H+=2H2O,总反应式为2CH3OH+3O2=2CO2+4H2O;
(6)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).

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CH3OH的燃烧热先书写热方程式,就是甲醇完全燃烧的热化学方程式;
(3)根据图象中甲醇的变化来计算反应速率,并利用图象中时间与速率的关系来分析T1、T2,再利用影响平衡的因素来分析解答;
(4)根据化学平衡的三段法计算平衡时各物质的物质的量,再利用反应前后气体的物质的量之比等于压强之比来解答;
(5)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;
(6)CH3OH(l)的燃烧热为-726.5kJ,其产生的电能与燃烧放出的燃料的比即为燃料电池的理论效率.

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)CH3OH(l)的燃烧热△H为-726.5kJ•mol-1,则CH3OH(l)+$\frac{3}{2}$O2(g)=CO2(g)+2 H2O(l)△H=-726.5kJ•mol-1,故答案为:CH3OH(l)+$\frac{3}{2}$O2(g)=CO2(g)+2 H2O(l)△H=-726.5kJ•mol-1;
(3)根据题给图象分析可知,T2先达到平衡则T2>T1,由温度升高反应速率增大可知T2的反应速率大于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;
A、v(CH3OH)=$\frac{\frac{{n}_{A}}{2L}}{{t}_{A}}$=$\frac{{n}_{A}}{2{t}_{A}}$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,升高温度,平衡向逆反应方向移动,该反应在T1时的平衡常数比T2时的大,故B错误;
C、依据图象分析T2先达到平衡则T2>T1,由温度升高反应速率增大可知T2的反应速率大于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,故C正确;
D、处于A点的反应体系从T1变到T2,升高温度,平衡向逆反应方向移动,达到平衡时,氢气物质的量增大、甲醇的物质的量减小,故$\frac{n({H}_{2})}{n(C{H}_{3}OH)}$增大,故D正确;
故答案为:CD;
(4)由化学平衡的三段模式法计算可知,
       CO2 (g)+3H2(g)=CH3OH(g)+H2O(g)
起始    1        3          0          0
变化    a        3a         a          a
平衡    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,
则容器内的压强与起始压强之比为=(1-a+3-3a+a+a):(1+3)=(2-a):2,
故答案为:(2-a):2;
(5)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,正极电极反应式为:O2+4e-+4H+═2H2O,总的电极反应式为:2CH3OH+3O2=2CO2+4H2O;故答案为:O2+4e-+4H+=2H2O、2CH3OH+3O2=2CO2+4H2O;
(6)该燃料电池的理论效率=702.1kJ÷726.5kJ×100%=96.6%,故答案为:96.6%.

点评 本题考查了反应热的计算、热化学方程式的书写和盖斯定律的应用,原电池电极反应书写方法,题目难度中等.

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