Question

【題目】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)的燃燒熱分別為285.8kJ·mol-1、283.0kJ·mol-1和726.5kJ·mol-1。回答下列問題：

（1）用太陽能分解100g水消耗的能量是_______kJ。

（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____________。

（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(jié)果如圖所示（注：T1、T2均大于300℃）；下列說法正確的是________（填序號）。

①溫度為T1時，從反應開始到平衡，生成甲醇的平均速率為v(CH3OH)=mol·L-1·min-1

②該反應在T1時的平衡常數(shù)比T2時的小

③該反應為放熱反應

④處于A點的反應體系從T1變到T2，達到平衡時增大

（4）在T1溫度時，將1molCO2和3molH2充入一密閉恒容器中，充分反應達到平衡后，若CO2轉(zhuǎn)化率為a，則容器內(nèi)的壓強與起始壓強之比為___________。

（5）在直接以甲醇為燃料電池中，電解質(zhì)溶液為酸性，負極的反應式為_____________。理想狀態(tài)下，該燃料電池消耗1molCH3OH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___________（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所能釋放的全部能量之比）。

Answer 1

【答案】1588 kJ CH3OH(l) ＋O2(g) ===CO(g) + 2H2O(l) ΔH＝-443.5kJ·mol-1 ③④ （2－a）/2 CH3OH－6e-＋H2O===CO2＋6H＋ 96.64%

【解析】

（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(shù)與反應熱的關系來計算；

（2）根據(jù)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）根據(jù)圖象中甲醇的變化來計算反應速率，并利用圖象中時間與速率的關系來分析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，再利用反應前后氣體的物質(zhì)的量之比等于壓強之比來解答；

（5）根據(jù)燃料電池原理及電解質(zhì)溶液的酸堿性書寫電極反應式，根據(jù)題給表達式計算理論效率。

（1）由H2(g)的燃燒熱△H為285.8 kJ·mol-1知，1molH2(g)完全燃燒生成1molH2O(l)放出熱量285.8kJ，根據(jù)化學計量數(shù)及能量守恒原理分析知分解1molH2O(l)為1molH2(g)消耗的能量為285.8kJ，則分解100gH2O(l)消耗的能量為285.8kJ×=1588 kJ，故答案為：1588 kJ；

（2）由CO(g)和CH3OH(l)的燃燒熱△H分別為283.0 kJ·mol-1和726.5 kJ·mol-1，則

①CO(g)+1/2O2(g)=CO2(g) △H=283.0 kJ·mol-1

②CH3OH(l)+3/2O2(g)=CO2(g)+2H2O(l) △H=726.5 kJ·mol-1

由蓋斯定律可知用②①得反應CH3OH(l)+O2(g)=CO(g)+2H2O(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) + 2H2O(l) ΔH＝-443.5kJ·mol-1；

（3）根據(jù)題給圖象分析可知，T2先達到平衡則T2>T1，由溫度升高反應速率增大可知T2的反應速率大于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CO2+3H2CH3OH+H2O向逆反應方向移動，故正反應為放熱反應，則T1時的平衡常數(shù)比T2時的大，③、④正確；②中該反應在T1時的平衡常數(shù)比T2時的大，則②錯誤，①中按照其計算速率的方法可知反應速率的單位錯誤，應為mol·min1，則①錯誤，故答案為：③④；

（4）由化學平衡的三段模式法計算可知，

根據(jù)相同條件下氣體的壓強之比等于物質(zhì)的量之比，則容器內(nèi)的壓強與起始壓強之比為 =(2－a)/2， 故答案為：(2－a)/2；

（5）甲醇燃料電池中，甲醇為負極，失去電子發(fā)生氧化反應，電解質(zhì)為酸性所以產(chǎn)物為CO2，故電極反應式為：CH3OH－6e-＋H2O=CO2＋6H＋；根據(jù)甲醇的燃燒熱及能量守恒定律分析，1mol甲醇作為燃料電池的燃料所釋放的全部能量為726.5kJ，則理論效率為：，故答案為：CH3OH－6e-＋H2O=CO2＋6H＋；96.64%。