Question

16．科學(xué)家利用太陽(yáng)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，并開(kāi)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(qǐng)回答下列問(wèn)題：
（1）用太陽(yáng)能分解10mol液態(tài)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）在溶積為2L的密閉容器中，由CO₂和H₂合成甲醇，在其他條件不變的情況下，考察溫度對(duì)反應(yīng)的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖所示（注：T₁、T₂均大于300℃），下列說(shuō)法正確的是③④（填序號(hào)）
①溫度為T(mén)₁時(shí)，從反應(yīng)開(kāi)始到平衡，生成甲醇的平均速率為v（CH₃OH）=$\frac{{n}_{A}}{{t}_{A}}$mol•L^-1•min^-1
②該反應(yīng)在T₁時(shí)的平衡常數(shù)比T₂時(shí)的小
③該反應(yīng)為放熱反應(yīng)
④處于A點(diǎn)的反應(yīng)體系從T₁變到T₂，達(dá)到平衡時(shí)$\frac{n（{H}_{2}）}{n（C{H}_{3}OH）}$增大
（4）在直接以甲醇為燃料電池中，電解質(zhì)溶液為酸性，負(fù)極的反應(yīng)式為CH₃OH+H₂O-6e^-═CO₂+6H⁺．理想狀態(tài)下，該燃料電池消耗1mol甲醇所能產(chǎn)生的最大電能為702.1kJ．，則該燃料電池的理論效率為96.6%（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(yīng)所能釋放的全部能量之比）

Answer 1

分析 （1）氫氣的燃燒熱可知水分解吸收的能量，然后利用化學(xué)計(jì)量數(shù)與反應(yīng)熱的關(guān)系來(lái)計(jì)算；
（2）根據(jù)CO和CH₃OH的燃燒熱先書(shū)寫(xiě)熱方程式，再利用蓋斯定律來(lái)分析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；
（3）利用圖象中甲醇的變化來(lái)計(jì)算反應(yīng)速率，并利用圖象中時(shí)間與速率的關(guān)系來(lái)分析T₁、T₂，再利用影響平衡的因素來(lái)分析解答；
（4）（2）甲醇燃料電池，甲醇在負(fù)極失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，氧氣在正極放電，酸性條件下生成水；
根據(jù)甲醇的燃燒熱計(jì)算2mol甲醇完全燃燒放出的熱量，結(jié)合原電池產(chǎn)生的電能計(jì)算．

解答 解：（1）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）+$\frac{1}{2}$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
由蓋斯定律可知用②-①得反應(yīng)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，
故答案為：CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2 H₂O（l）△H=-443.5kJ•mol^-1；
（3）根據(jù)題給圖象分析可知，T₂先達(dá)到平衡則T₂＞T₁，由溫度升高反應(yīng)速率增大可知T₂的反應(yīng)速率大于T₁，又溫度高時(shí)平衡狀態(tài)CH₃OH的物質(zhì)的量少，則說(shuō)明可逆反應(yīng)CO₂+3H₂?CH₃OH+H₂O向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，故正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，則T₁時(shí)的平衡常數(shù)比T₂時(shí)的大，③、④正確，②中該反應(yīng)在T₁時(shí)的平衡常數(shù)比T₂時(shí)的大，故②錯(cuò)誤，①中按照其計(jì)算速率的方法可知反應(yīng)速率應(yīng)為濃度的變化除以時(shí)間不是物質(zhì)的量除以時(shí)間，故①錯(cuò)誤，
故答案為：③④；
（4）酸性條件下甲醇燃料電池的總反應(yīng)式為：CH₃OH+$\frac{3}{2}$O₂═CO₂+2H₂O①，酸性條件下該燃料電池的正極反應(yīng)式為$\frac{3}{2}$O₂+6H⁺+6e^-═3H₂O②，①-②得電池負(fù)極反應(yīng)式為：CH₃OH+H₂O-6e^-═CO₂+6H⁺；該燃料電池的理論效率為$\frac{702.1kJ}{726.5kJ}$×100%=96.6%．
故答案為：CH₃OH+H₂O-6e^-═CO₂+6H⁺；96.6%．

點(diǎn)評(píng) 本題考查較為綜合，涉及熱化學(xué)方程式的書(shū)寫(xiě)、化學(xué)平衡的相關(guān)知識(shí)，該題對(duì)這些知識(shí)的要求比較高，綜合性強(qiáng)，解答本題比較費(fèi)時(shí)，該題難度較大．