Question

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．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）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，实验结果如下图所示（注：T₁、T₂均大于300℃）；下列说法正确的是______（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）=mol?L^-1?min^-1
②该反应在T₁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，达到平衡时增大
（4）在T₁温度时，将1molCO₂和3molH₂充入一密闭恒容容器中，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______；
（5）在直接以甲醇为燃料的燃料电池中，电解质溶液为酸性，负极的反应式为______，正极的反应式为______．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

【答案】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）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）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，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）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）由CO（g）和CH₃OH（l）的燃烧热△H分别为-283.0kJ?mol^-1和-726.5kJ?mol^-1，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）=-443.5kJ?mol^-1，
故答案为：CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2 H₂O（l）△H=-443.5kJ?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，③、④正确，②中该反应在T₁时的平衡常数比T₂时的大，则②错误，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，则①错误，故答案为：③④；
（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        3 a      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=，
故答案为：；
（5）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O₂+6H⁺+6e^-=3H₂O，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
×100%=96.6%，故答案为：CH₃OH+H₂O-6e^-=CO₂+6H⁺；O₂+6H⁺+6e^-=3H₂O；96.6%．
点评：本题综合性较强，考查知识点较多，注重了对高考热点的考查，学生应熟悉燃烧热、盖斯定律、热化学反应方程式、反应速率、化学平衡、原电池等重要知识来解答．