Question

12．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（CH₃OH），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(xué)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合成甲醇反應(yīng)方程式為：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g），在其他條件不變得情況下，考察溫度對反應(yīng)的影響，實驗結(jié)果如圖所示，下列說法正確的是②⑤（填序號）
①250℃時，0～10minH₂反應(yīng)速率為0.015mol/（L•min）
②該反應(yīng)在T時生成甲醇的速率比250℃時的小
③T時，若3v（CO）=v（H₂），則該反應(yīng)達到平衡
④若密閉容器中混合氣體密度不變則該反應(yīng)達到化學(xué)平衡狀態(tài)
⑤平衡時CO₂的轉(zhuǎn)化率：T℃時大于250℃時
（4）在T溫度時，將1molCO₂和3molH₂充入一密閉恒容容器中，充分反應(yīng)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1-$\frac{a}{2}$．
（5）在直接以甲醇為燃料的電池中，電解質(zhì)溶液為堿性，負(fù)極的反應(yīng)式為2CH₃OH+2H₂O-12e^-=2CO₂+12H⁺．

Answer 1

分析 （1）1mol H₂（g）燃燒生成1molH₂O（l）放出的熱量為285.8kJ，據(jù)此計算分解10mol水消耗的能量；
（2）由CO（g）和CH₃OH（l）的燃燒熱可得熱化學(xué)方程式：
①CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=CO₂（g）△H=-283.0kJ•mol^-1
②CH₃OH（l）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2 H₂O（l）△H=-726.5kJ•mol^-1
根據(jù)蓋斯定律，②-①可得：CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2 H₂O（l）；
（3）由圖可知，250℃先達到平衡，則溫度T＜250℃，又溫度高時平衡狀態(tài)CH₃OH的物質(zhì)的量少，則說明升高溫度反應(yīng)CO₂+3H₂?CH₃OH+H₂O向逆反應(yīng)方向移動，則正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，
①根據(jù)v=$\frac{\frac{△n}{V}}{△t}$計算250℃時，0～10min用H₂表示的反應(yīng)速率；
②溫度越高，反應(yīng)速率越快；
③T時，若3v（CO）=v（H₂），沒有告訴正逆反應(yīng)，無法判斷平衡狀態(tài)；
④該反應(yīng)過程中密度為定值；
⑤根據(jù)圖象曲線判斷平衡時CO₂的轉(zhuǎn)化率大小；
（4）根據(jù)二氧化碳的轉(zhuǎn)化率計算平衡時各物質(zhì)的物質(zhì)的量，恒溫恒容下，壓強之比對氣體物質(zhì)的量之比；
（5）原電池負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，正極發(fā)生還原反應(yīng)，甲醇在負(fù)極失去電子，酸性條件下生成二氧化碳，由電荷守恒可知，還生成氫離子．

解答 解：（1）1mol H₂（g）燃燒生成1molH₂O（l）放出的熱量為為285.8kJ，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）的燃燒熱可得熱化學(xué)方程式：
①CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=CO₂（g）△H=-283.0kJ•mol^-1
②CH₃OH（l）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2 H₂O（l）△H=-726.5kJ•mol^-1
根據(jù)蓋斯定律，②-①可得：CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2 H₂O（l），該反應(yīng)的反應(yīng)熱△H=-726.5kJ•mol^-1-（-283.0kJ•mol^-1）=-443.5kJ•mol^-1，
故熱化學(xué)方程式為：CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2 H₂O（l）△H=-443.5kJ•mol^-1，
故答案為：CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2 H₂O（l）△H=-443.5kJ•mol^-1；
（3）由圖可知，250℃先達到平衡，則溫度T＜250℃，又溫度高時平衡狀態(tài)CH₃OH的物質(zhì)的量少，則說明升高溫度反應(yīng)CO₂+3H₂?CH₃OH+H₂O向逆反應(yīng)方向移動，則正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，
①250℃時，0～10min時用H₂表示的反應(yīng)速率為：v（H₂）=3v（CH₃OH）=$\frac{\frac{0.15mol}{2L}}{10min}$×3=0.0225mol/（L•min），故①錯誤；
②根據(jù)分析可知溫度T＜250℃，溫度越高反應(yīng)速率越快，則該反應(yīng)在T時生成甲醇的速率比250℃時的小，故②正確；
③T時若3v（CO）=v（H₂），沒有指出正逆反應(yīng)，無法判斷是否達到平衡狀態(tài)，故③錯誤；
④該反應(yīng)前后都是氣體，氣體的總質(zhì)量不變，容器容積不變，則密度始終不變，不能根據(jù)密度判斷平衡狀態(tài)，故④錯誤；
⑤根據(jù)圖象可知，平衡時甲醇的物質(zhì)的量：T℃＞250℃，甲醇的物質(zhì)的量越大說明二氧化碳的轉(zhuǎn)化率越高，則平衡時CO₂的轉(zhuǎn)化率：T℃時大于250℃，故⑤正確；
故答案為：②⑤；
（4）反應(yīng)達到平衡后，若CO₂轉(zhuǎn)化率為a，則：
           CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH（g）+H₂O（g）
起始（mol）：1        3        0        0
轉(zhuǎn)化（mol）：a        3a       a        a
平衡（mol）：1-a      3-3a     a        a
根據(jù)相同條件下氣體的壓強之比等于物質(zhì)的量之比，即（1-a+3-3a+a+a）：（1+3）=1-$\frac{a}{2}$，
故答案為：1-$\frac{a}{2}$；
（5）原電池負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，正極發(fā)生還原反應(yīng)，甲醇在負(fù)極失去電子，酸性條件下生成二氧化碳，由電荷守恒可知，還生成氫離子，負(fù)極電極反應(yīng)式為2CH₃OH+2H₂O-12e^-=2CO₂+12H⁺，
故答案為：2CH₃OH+2H₂O-12e^-=2CO₂+12H⁺．

點評 本題考查較為綜合，涉及化學(xué)平衡計算、反應(yīng)熱與焓變、原電池原理等知識，明確化學(xué)平衡及其影響為解答關(guān)鍵，注意掌握電解原理、反應(yīng)熱與焓變的應(yīng)用，試題培養(yǎng)了學(xué)生的分析、理解能力及綜合應(yīng)用能力．