Question

利用太陽能分解水產生H2，在催化劑作用下H2與CO2反應合成CH3OH，并開發(fā)出直接以甲醇為燃料的燃料電池。已知：H2(g)+1/2O2(g)=H2O(l) ΔH=－285.8 kJ·mol－1、CH3OH(l)+ 3/2O2(g)= CO2 (g)+ 2H2O(l) ΔH=－726.5 kJ·mol－1、CO(g) +1/2O2(g)= CO2 (g) ΔH=－283.0 kJ·mol－1。

請回答下列問題：

⑴ 用太陽能分解18g水，需要消耗的能量為 kJ。

⑵ 液態(tài)CH3OH不完全燃燒生成CO和液態(tài)H2O的熱化學方程式為 。

⑶ CO2合成燃料CH3OH是碳減排的新方向。在容積為2 L的密閉容器中，充2 mol CO2和6 mol H2，由CO2和H2合成甲醇，反應式：CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g)，在其他條件不變的情況下，考察溫度對反應的影響，實驗結果如下圖所示(注：T1、T2均大于300 ℃)：

①下列說法正確的是

A．溫度為T2時，從反應開始到平衡，生成甲醇的平均速率為: v(CH3OH)＝nB/tB mol·(L·min)－1

B．T2＞T1，T2平衡時，甲醇產量變少，所以該反應為放熱反應

C．該反應在T2時的平衡常數比T1時的平衡常數大

D．處于A點的反應體系從T1變到T2，平衡逆向移動

②能判斷該反應已達化學反應限度標志的是 （填字母。

A．H2的百分含量保持不變

B．容器中CO2 濃度與H2濃度之比為1: 3

C．容器中混合氣體的密度保持不變

D．CO2消耗速率與CH3OH生成速率相等

⑷科學家致力于CO2的“組合轉化”技術研究，如將CO2和H2以體積比1∶4比例混合通入反應器，適當條件下，反應可獲得一種能源。完成以下化學方程式，就能知道該種能源。

CO2＋4H2 2H2O ＋ 。

⑸ 在直接以甲醇為燃料的燃料電池中，電解質溶液為酸性，總反應式為：2CH3OH + 3O2＝2CO2＋4H2O，則正極的反應式為 ；負極的反應式為 。

 

Answer 1

(1) 285.8 （3分） ⑵ CH3OH(l) + O2(g)＝CO(g) + 2H2O(l) ΔH=－443.5 kJ·mol－1（3分）

⑶ ① BD（2分） ② A （2分） (4) CH4 （2分）

⑸ 4H++O2+4e- = 2H2O（2分）、 CH3OH+H2O-6e- = CO2+6H+（2分）

【解析】

試題分析：（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18g水即1mol H2O（l）消耗的能量為285.8kJ。

（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。

（3）①A、中按照其計算速率的方法可知反應速率=＝mol/L?min，故A錯誤；B、正反應為放熱反應，根據題給圖象分析可知，T2先達到平衡則T2＞T1，又溫度高時平衡狀態(tài)CH3OH的物質的量少，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，該反應的△H＜0，故B正確；C、正反應為放熱反應，根據題給圖象分析可知，T2先達到平衡，則T2＞T1，該反應在T1時的平衡常數比T2時的大，C不正確；D、處于A點的反應體系從T1變到T2，溫度升高，正方應放熱，則平衡向逆反應方向移動，D正確，答案選BD。

②在一定條件下，當可逆反應的正反應速率和逆反應速率相等時（但不為0），反應體系中各種物質的濃度或含量不再發(fā)生變化的狀態(tài)，稱為化學平衡狀態(tài)，則A、H2的百分含量保持不變可以說明反應達到平衡狀態(tài)，A正確；B、平衡時濃度不再發(fā)生變化，但各物質的濃度之間不一定相等或滿足某種關系，因此容器中CO2 濃度與H2濃度之比為1: 3不能說明反應達到平衡狀態(tài)，B不正確；C、密度是混合氣的質量和容器容積的比值，在反應過程中質量和容積始終是不變的，因此容器中混合氣體的密度保持不變不能說明反應達到平衡狀態(tài)，C不正確；D、CO2消耗速率與CH3OH生成速率方向一致，根據速率之比等于相應的化學計量數之比可知，二者的速率始終是相等的，不能說明達到平高姿態(tài)，D不正確，答案選A。

（4）根據原子守恒可知，反應中另外一種生成物是甲烷，即CO2＋4H2 CH4＋2H2O。

（5）直接以甲醇為燃料的電池中，電解質溶液為酸性，正極氧氣得到電子，則正極電極反應式為4H++O2+4e- = 2H2O。甲醇燃料電池，燃料在負極失電子發(fā)生氧化反應，負極的反應式為CH3OH+H2O-6e- = CO2+6H+。

考點：考查外界條件對平衡狀態(tài)的影響、平衡狀態(tài)判斷以及可逆反應的有關計算、電極反應式的書寫等