Question

科学家利用太阳能分解水生成氢气，再用氢气与二氧化碳在催化剂作用下反应生成甲醇，并开发出直接以甲醇为燃料的燃料电池．已知：
H₂（g）+

1

2

O₂（g）=H₂O（l）△H=-285.8kJ?mol^-1；
CO（g）+

1

2

O₂（g）=CO₂（g）△H=-283.0kJ?mol^-1；
CH₃OH（l）+

3

2

O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-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

 

kJ
（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

 

（3）CO可用于合成甲醇，反应方程式为CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）．CO在不同温度下的平衡转化率与压强的关系如图所示．该反应△H

 

0（填“＞”或“＜”）．实际生产条件控制在250℃、1.3×10⁴kPa左右，选择此压强而不选择更高压强的理由是

 

 

（4）利用甲醇、氧气组成燃料电池，电解质溶液为酸性，电池工作时，

 

极附近溶液pH升高．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

 

（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

考点：转化率随温度、压强的变化曲线,热化学方程式,原电池和电解池的工作原理

专题：

分析：（1）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CO和CH₃OH的燃烧热先书写热方程式，再利用盖斯定律来分析甲醇不完全燃烧生成一氧化碳和液态水的热化学方程式；
（3）从横坐标上一点，画一条平行于纵坐标的虚线，看相同压强下不同温度时CO的平衡转化率，温度越低转化率越低，说明，升温时平衡向逆向移动；
（4）根据原电池中负极发生氧化反应，正极发生还原反应，并考虑电解质溶液参与电极反应来分析pH变化，并利用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来计算燃料电池的理论效率．

解答： 解：（1）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）由①CO（g）+

1

2

O₂（g）=CO₂（g）△H=-283.0kJ?mol^-1；
②CH₃OH（l）+

3

2

O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（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）=-443.5kJ?mol^-1，
故答案为：CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2 H₂O（l）△H=-443.5kJ?mol^-1；
（3）从横坐标上一点0.5处，画一条平行于纵坐标的虚线，看相同压强下不同温度时CO的平衡转化率，温度越高转化率越低，说明，升温时平衡向逆向移动．
实际生产条件控制在250℃、1.3×10⁴kPa左右，选择此压强的理由是在1.3×10⁴kPa下，CO转化率已较高，再增大压强CO转化率提高不大，而生产成本增加，得不偿失；故答案为：＜；在1.3×10⁴kPa下，CO转化率已较高，再增大压强CO转化率提高不大，而生产成本增加，得不偿失；
（4）由燃料电池是原电池的一种，负极失电子发生氧化反应，正极得电子发生还原反应，甲醇燃烧生成二氧化碳和水，
但在酸性介质中，正极不会生成大量氢离子，则电解质参与电极反应，甲醇燃料电池的负极反应式为CH₃OH+H₂O-6e^-=CO₂+6H⁺，正极反应式为

3

2

O₂+6H⁺+6e^-=3H₂O，所以正极附近溶液pH升高；
又该电池的理论效率为消耗1mol甲醇所能产生的最大电能与其燃烧热之比，则电池的理论效率为

702.1

726.5

×100%=96.6%，故答案为：正；96.6%．

点评：本题考查较为综合，涉及热化学方程式的书写、化学平衡的相关知识，该题对这些知识的要求比较高，综合性强，解答本题比较费时，该题难度较大．