Question

13．科學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．請回答下列問題：
（1）用太陽能分解10mol水消耗的能量是2858kJ．
（2）甲醇不完全燃燒生成一氧化碳和液態(tài)水的熱化學方程式為CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2 H₂O（l）△H=-443.5kJ•mol^-1．
（3）在容積為2L的密閉容器中，由CO₂和H₂合成甲醇，在其他條件不變得情況下，考察溫度對反應的影響，實驗結果如圖所示（注：T₁、T₂均大于300℃）．

判斷該可逆反應達到化學平衡狀態(tài)的標志是③④（填字母）．
①．v生成（CH₃OH）=v消耗（CO₂）      ②．混合氣體的密度不再改變
③．CO₂、H₂、CH₃OH的濃度均不再變化    ④．混合氣體的壓強不再改變
（4）在直接以甲醇為燃料電池中，電解質溶液為酸性，負極的反應式為CH₃OH+H₂O-6e^-═CO₂+6H⁺、正極的反應式為O₂+4H⁺+4e^-═2H₂O．理想狀態(tài)下，該燃料電池消耗1mol甲醇所能產生的最大電能為702.1kJ，則該燃料電池的理論效率為96.64%（燃料電池的理論效率是指電池所產生的最大電能與燃料電池反應所能釋放的全部能量之比）．

Answer 1

分析 （1）由氫氣的燃燒熱可知水分解吸收的能量，然后利用化學計量數與反應熱的關系來計算；
（2）根據CO和CH₃OH的燃燒熱先書寫熱方程式，再利用蓋斯定律來分析甲醇不完全燃燒生成一氧化碳和液態(tài)水的熱化學方程式；
（3）反應達到平衡狀態(tài)時，正逆反應速率相等但不等于0，平衡時各種物質的物質的量、濃度等不再發(fā)生變化，可由此進行判斷；
（4）甲醇燃料電池，甲醇在負極失電子發(fā)生氧化反應生成二氧化碳，氧氣在正極上得電子生成水；1mol甲醇完全燃燒放出726.5kJ能量，根據已知的1mol甲醇所能產生的最大電能計算．

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由CO（g）和CH₃OH（l）的燃燒熱△H分別為-283.0kJ•mol^-1和-726.5kJ•mol^-1，則
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
由蓋斯定律可知用②-①得反應CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2 H₂O（l），該反應的反應熱△H=-726.5kJ•mol^-1-（-283.0kJ•mol^-1）=-443.5kJ•mol^-1，
故答案為：CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2 H₂O（l）△H=-443.5kJ•mol^-1；
（3）由CO₂和H₂合成甲醇，其反應為CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
①．生成甲醇為正反應速率，消耗二氧化碳為正反應速率，都是正反應速率，不能判斷反應是否達到平衡狀態(tài)，故錯誤；
②．在容積為2L的密閉容器中，氣體的體積不變，質量守恒，所以混合氣體的密度始終不變，不能根據密度判斷反應是否達到平衡狀態(tài)，故錯誤；
③．隨著反應進行CO₂、H₂的濃度逐漸減小，CH₃OH的濃度逐漸增大，當各物質的濃度保持不變，說明反應達到平衡狀態(tài)，故正確；
④．該反應是氣體減少的反應，隨著反應進行氣體的物質的量減少，則混合氣體的壓強減小，當混合氣體的壓強不再改變，說明反應達到平衡狀態(tài)，故正確．
故答案為：③④；
（4）甲醇燃料電池，甲醇在負極失電子發(fā)生氧化反應生成二氧化碳，則負極的電極方程式為：CH₃OH+H₂O-6e^-═CO₂+6H⁺，氧氣在正極上得電子生成水，正極發(fā)生的電極反應式是：O₂+4H⁺+4e^-═2H₂O；1mol甲醇完全燃燒放出726.5kJ能量，已知的1mol甲醇所能產生的最大電能為702.1kJ，則該燃料電池的理論效率為$\frac{702.1kJ}{726.5kJ}$×%=96.64%．
故答案為：CH₃OH+H₂O-6e^-═CO₂+6H⁺；O₂+4H⁺+4e^-═2H₂O；96.64%．

點評 本題綜合性較強，考查知識點較多，注重了對高考熱點的考查，題目涉及燃燒熱、蓋斯定律、熱化學反應方程式、化學平衡狀態(tài)的判斷、燃料電池等重要知識，題目難度中等，側重于考查學生的分析能力和對基礎知識的綜合應用能力．