Question

5．科學(xué)家利用太陽能分解水生成的氫氣在催化劑作用下與二氧化碳反應(yīng)生成甲醇，并開發(fā)出直接以甲醇為燃料的燃料電池．已知H₂（g）、CO（g）和CH₃OH（l）的燃燒熱△H分別為-285.8kJ•mol^-1、-283.0kJ•mol^-1和-726.5kJ，•mol^-1．（注：燃燒熱：1mol燃料完全燃燒所放出的能量即為該燃料的燃燒熱．）請回答下列問題：
（1）用太陽能分解10mol水，理論上消耗的能量是2858kJ；
（2）寫出甲醇完全燃燒的熱化學(xué)方程式為：CH₃OH（l）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2 H₂O（l）△H=-726.5kJ•mol^-1；
（3）在容積為2L的密閉容器中，由CO₂和H₂合成甲醇，在其他條件不變的情況下，考察溫度對反應(yīng)的影響，實驗結(jié)果如圖所示（注：T₁、T₂均大于300℃）：
下列說法正確的是CD；
A．溫度T₁時，反應(yīng)開始到平衡，生成甲醇的平均速率為：v（CH₃OH）=n_A/t_Amol•L^-1•min^-1
B．該反應(yīng)在T₁時的平衡常數(shù)比T₂時的小
C．該反應(yīng)為放熱反應(yīng)
D．處于A點(diǎn)的反應(yīng)體系從T₁變到T₂，達(dá)到平衡時$\frac{n（{H}_{2}）}{n（C{H}_{3}OH）}$增大
（4）在T₁溫度時，將1mol CO₂和3mol H₂充入一密閉恒容容器中，充分反應(yīng)達(dá)到平衡后，若CO₂的轉(zhuǎn)化率為α，則容器內(nèi)的壓強(qiáng)與起始壓強(qiáng)之比為（2-a）：2；
（5）在直接以甲醇為燃料的燃料電池中，電解質(zhì)溶液為酸性，正極的電極反應(yīng)式為：O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O，總反應(yīng)式為2CH₃OH+3O₂=2CO₂+4H₂O；
（6）理想狀態(tài)下，該燃料電池消耗1mol甲醇所能產(chǎn)生的最大電能為702.1kJ，則該燃料電池的理論效率為96.6%（燃料電池的理論效率是指電池所產(chǎn)生的最大電能與燃料電池反應(yīng)所能釋放的全部能量之比）．

Answer 1

分析 （1）根據(jù)氫氣的燃燒熱可知水分解吸收的能量，然后利用化學(xué)計量數(shù)與反應(yīng)熱的關(guān)系來計算；
（2）根據(jù)CH₃OH的燃燒熱先書寫熱方程式，就是甲醇完全燃燒的熱化學(xué)方程式；
（3）根據(jù)圖象中甲醇的變化來計算反應(yīng)速率，并利用圖象中時間與速率的關(guān)系來分析T₁、T₂，再利用影響平衡的因素來分析解答；
（4）根據(jù)化學(xué)平衡的三段法計算平衡時各物質(zhì)的物質(zhì)的量，再利用反應(yīng)前后氣體的物質(zhì)的量之比等于壓強(qiáng)之比來解答；
（5）甲醇燃料電池，甲醇在負(fù)極失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，氧氣在正極放電，酸性條件下生成水；
（6）CH₃OH（l）的燃燒熱為-726.5kJ，其產(chǎn)生的電能與燃燒放出的燃料的比即為燃料電池的理論效率．

解答 解：（1）由H₂（g）的燃燒熱△H為-285.8kJ•mol^-1知，1molH₂（g）完全燃燒生成1molH₂O（l）放出熱量285.8kJ，
即分解1mol H₂O（l）為1mol H₂（g）消耗的能量為285.8kJ，則分解10mol H₂O（l）消耗的能量為285.8kJ×10=2858kJ，
故答案為：2858；
（2）CH₃OH（l）的燃燒熱△H為-726.5kJ•mol^-1，則CH₃OH（l）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2 H₂O（l）△H=-726.5kJ•mol^-1，故答案為：CH₃OH（l）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2 H₂O（l）△H=-726.5kJ•mol^-1；
（3）根據(jù)題給圖象分析可知，T₂先達(dá)到平衡則T₂＞T₁，由溫度升高反應(yīng)速率增大可知T₂的反應(yīng)速率大于T₁，又溫度高時平衡狀態(tài)CH₃OH的物質(zhì)的量少，則說明可逆反應(yīng)CO₂+3H₂?CH₃OH+H₂O向逆反應(yīng)方向移動，故正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，則T₁時的平衡常數(shù)比T₂時的大；
A、v（CH₃OH）=$\frac{\frac{{n}_{A}}{2L}}{{t}_{A}}$=$\frac{{n}_{A}}{2{t}_{A}}$mol/L•min，故A錯誤；
B、正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，根據(jù)題給圖象分析可知，T₂先達(dá)到平衡則T₂＞T₁，升高溫度，平衡向逆反應(yīng)方向移動，該反應(yīng)在T₁時的平衡常數(shù)比T₂時的大，故B錯誤；
C、依據(jù)圖象分析T₂先達(dá)到平衡則T₂＞T₁，由溫度升高反應(yīng)速率增大可知T₂的反應(yīng)速率大于T₁，又溫度高時平衡狀態(tài)CH₃OH的物質(zhì)的量少，則說明可逆反應(yīng)CO₂+3H₂?CH₃OH+H₂O向逆反應(yīng)方向移動，故正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，故C正確；
D、處于A點(diǎn)的反應(yīng)體系從T₁變到T₂，升高溫度，平衡向逆反應(yīng)方向移動，達(dá)到平衡時，氫氣物質(zhì)的量增大、甲醇的物質(zhì)的量減小，故$\frac{n（{H}_{2}）}{n（C{H}_{3}OH）}$增大，故D正確；
故答案為：CD；
（4）由化學(xué)平衡的三段模式法計算可知，
       CO₂ （g）+3H₂（g）=CH₃OH（g）+H₂O（g）
起始    1        3          0          0
變化    a        3a         a          a
平衡    1-a      3-3a       a          a
根據(jù)相同條件下氣體的壓強(qiáng)之比等于物質(zhì)的量之比，
則容器內(nèi)的壓強(qiáng)與起始壓強(qiáng)之比為=（1-a+3-3a+a+a）：（1+3）=（2-a）：2，
故答案為：（2-a）：2；
（5）甲醇燃料電池，甲醇在負(fù)極失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，氧氣在正極放電，酸性條件下生成水，正極電極反應(yīng)式為：O₂+4e^-+4H⁺═2H₂O，總的電極反應(yīng)式為：2CH₃OH+3O₂=2CO₂+4H₂O；故答案為：O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O、2CH₃OH+3O₂=2CO₂+4H₂O；
（6）該燃料電池的理論效率=702.1kJ÷726.5kJ×100%=96.6%，故答案為：96.6%．

點(diǎn)評 本題考查了反應(yīng)熱的計算、熱化學(xué)方程式的書寫和蓋斯定律的應(yīng)用，原電池電極反應(yīng)書寫方法，題目難度中等．