Question

利用太陽(yáng)能分解水生成的氫氣，在催化劑作用下氫氣與二氧化碳反應(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水消耗的能量是

 

 kJ．
（2）液態(tài)甲醇不完全燃燒生成一氧化碳?xì)怏w和液態(tài)水的熱化學(xué)方程式為

 

．
（3）在容積為2L的密閉容器中，由CO₂和H₂合成甲醇，反應(yīng)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(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℃）：①可逆反應(yīng)的平衡常數(shù)表達(dá)式K=

 

②下列說(shuō)法正確的是

 

A．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）=

nA

tA

 mol?L^-1?min^-1
B．該反應(yīng)在T₁時(shí)的平衡常數(shù)比T₂時(shí)的小
C．該反應(yīng)為放熱反應(yīng)
D．處于A點(diǎn)的反應(yīng)體系從T₁變到T₂，達(dá)到平衡時(shí) 

n(H2)

n(CH3OH)

增大
③在T₁溫度時(shí)，將1mol CO₂和3mol H₂充入一密閉恒容容器中，充分反應(yīng)達(dá)到平衡后，若CO₂的轉(zhuǎn)化率為α，則容器內(nèi)的壓強(qiáng)與起始?jí)簭?qiáng)之比為

 

；
（4）在直接以甲醇為燃料的燃料電池中，電解質(zhì)溶液為酸性，總反應(yīng)式為2CH₃OH+3O₂=2CO₂+4H₂O，則正極的反應(yīng)式為

 

；負(fù)極的反應(yīng)式為

 

．

Answer 1

考點(diǎn)：物質(zhì)的量或濃度隨時(shí)間的變化曲線,熱化學(xué)方程式,化學(xué)電源新型電池,化學(xué)平衡常數(shù)的含義,化學(xué)平衡的影響因素

專題：基本概念與基本理論

分析：（1）由H₂（g）的燃燒熱化學(xué)方程式可以寫(xiě)出水分解的熱化學(xué)程式，再據(jù)此求得消耗的能量；
（2）根據(jù)H₂（g）、CO（g）和CH₃OH（l）的燃燒熱，利用蓋斯定律，可以寫(xiě)出液態(tài)甲醇不完全燃燒生成一氧化碳?xì)怏w和液態(tài)水的熱化學(xué)方程式；
（3）①、根據(jù)平衡常數(shù)的定義再結(jié)合方程式直接寫(xiě)出平衡常數(shù)的表達(dá)式；
②A、反應(yīng)速率是反應(yīng)中某物質(zhì)的濃度在單位時(shí)間內(nèi)的變化，據(jù)此可判斷；
B、根據(jù)反應(yīng)CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）的熱量的變化，并由此判斷溫度變化時(shí)平衡移動(dòng)的方向，再判斷平衡常數(shù)的變化；
C、根據(jù)H₂（g）、CO（g）和CH₃OH（l）的燃燒熱利用蓋斯定律，寫(xiě)出由CO₂和H₂合成甲醇的熱化學(xué)方程式，再據(jù)此判斷；
D、根據(jù)溫度的變化對(duì)平衡的影響，判斷平衡移動(dòng)的方向，再據(jù)此判斷；
③、根據(jù)CO₂的轉(zhuǎn)化率求得平衡時(shí)各物質(zhì)的物質(zhì)的量，壓強(qiáng)之比等于物質(zhì)的量之比，從而求得結(jié)論；
（4）利用原電池原理、氧化還原反應(yīng)的有關(guān)原理及元素守恒和電荷守恒，可寫(xiě)出電極反應(yīng)．

解答： 解：（1）H₂（g）的燃燒熱△H為-285.8kJ?mol^-1，該反應(yīng)的熱化學(xué)方程式為：2H₂（g）+O₂（g）═2H₂O（l），△H=-571.68kJ?mol^-1，水分解的熱化學(xué)方程式為：2H₂O（l）═2H₂（g）+O₂（g），△H=+571.68kJ?mol^-1，由此熱化學(xué)方程式可知每2mol水解需吸收571.6kJ的熱量，則不難求得10mol水分解需消耗的能量為：5×571.6kJ=2858kJ；故答案為：2858；
（2）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，則它們的熱化學(xué)方程式分別為：
①2CO（g）+O₂（g）═2CO₂（g），△H₁=-466kJ?mol^-1
②CH₃OH（l）+O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（l），△H₂=-726.5kJ?mol^-1
液態(tài)甲醇不完全燃燒生成一氧化碳?xì)怏w和液態(tài)水，可看作是上述②-①×

1

2

得到，反應(yīng)熱也等于△H₂-

1

2

×△H₁=-443.55kJ?mol^-1，所以熱化學(xué)方程式可寫(xiě)為：CH₃OH（l）+O₂（g）═CO（g）+2H₂O（l），△H=-443.55kJ?mol^-1，故答案為：CH₃OH（l）+O₂（g）═CO（g）+2H₂O（l）△H=-443.55kJ?mol^-1；
（3）①根據(jù)平衡常數(shù)的定義再結(jié)合方程式CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g），可知平衡常數(shù)的表達(dá)式為：K=

C(CH3OH)?C(H2O)

C(CO2)?C3(H2)

，
故答案為：

C(CH3OH)?C(H2O)

C(CO2)?C3(H2)

；
②A、反應(yīng)速率是反應(yīng)中某物質(zhì)的濃度在單位時(shí)間內(nèi)的變化，∴v（CH₃OH）=

nA 2

tA

=

nA

2tA

mol?L^-1?min^-1，故A錯(cuò)誤；
B、依據(jù)圖象分析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)，升高溫度，平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，該反應(yīng)在T₁時(shí)的平衡常數(shù)比T₂時(shí)的大，故B錯(cuò)誤；
C、依據(jù)圖象分析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)，故C正確；
D、處于A點(diǎn)的反應(yīng)體系從T₁變到T₂，升高溫度，平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，達(dá)到平衡時(shí)，氫氣物質(zhì)的量增大、甲醇的物質(zhì)的量減小，故

n(H2)

n(CH3OH)

增大，故D正確；
故答案為：CD；
③由化學(xué)平衡的三段模式法計(jì)算可知，
       CO₂ （g）+3H₂（g）=CH₃OH（g）+H₂O（g）
起始    1        3          0          0
變化    a        3a         a          a
平衡    1-a      3-3a       a          a
根據(jù)相同條件下氣體的壓強(qiáng)之比等于物質(zhì)的量之比，
則容器內(nèi)的壓強(qiáng)與起始?jí)簭?qiáng)之比為=（1-a+3-3a+a+a）：（1+3）=（2-a）：2，
故答案為：（2-a）：2；
（4）由燃料電池是原電池的一種，負(fù)極失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，正極得電子發(fā)生還原反應(yīng)，在甲醇燃燒生成二氧化碳和水的反應(yīng)中，甲醇是還原劑，氧氣是氧化劑，所以甲醇在正極發(fā)生得電子反應(yīng)，氧氣在負(fù)極發(fā)生失電子反應(yīng)，但在酸性介質(zhì)中，正極不會(huì)生成大量氫離子，則電解質(zhì)參與電極反應(yīng)，所以甲醇燃料電池的負(fù)極反應(yīng)式為CH₃OH+H₂O-6e^-=CO₂+6H⁺，正極反應(yīng)式O₂+4H⁺+4e^-=2H₂O，故答案為：O₂+4H⁺+4e^-=2H₂O；CH₃OH+H₂O-6e^-=CO₂+6H⁺．

點(diǎn)評(píng)：本題考查了蓋斯定律、熱化學(xué)方程式的書(shū)寫(xiě)、化學(xué)平衡常數(shù)、影響平衡的因素、化學(xué)平衡的計(jì)算、原電池的電極反應(yīng)等內(nèi)容，考查的點(diǎn)較多，知識(shí)夸度大，對(duì)學(xué)生來(lái)講有一定的難度．