Question

16．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，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）+2H₂O（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，考察溫度對反應(yīng)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③④（填序號）
①溫度為T₁時，從反應(yīng)開始到平衡，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時的平衡常數(shù)比T₂時的小
③該反應(yīng)為放熱反應(yīng)
④處于A點的反應(yīng)體系從T₁變到T₂，達(dá)到平衡時$\frac{n（{H}_{2}）}{n（C{H}_{3}OH）}$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）根據(jù)氫氣的燃燒熱可知水分解吸收的能量，然后利用化學(xué)計量數(shù)與反應(yīng)熱的關(guān)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(xué)方程式；
（3）根據(jù)圖象中甲醇的變化來計算反應(yīng)速率，并利用圖象中時間與速率的關(guān)系來分析T₁、T₂，再利用影響平衡的因素來分析解答；
（4）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)生的電能計算．

解答 解：（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）+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(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，
又溫度高時平衡狀態(tài)CH₃OH的物質(zhì)的量少，則說明可逆反應(yīng)CO₂+3H₂?CH₃OH+H₂O向逆反應(yīng)方向移動，故正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，
則T₁時的平衡常數(shù)比T₂時的大，③、④正確，②中該反應(yīng)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(yīng)速率的單位錯誤，應(yīng)為mol•min^-1，則①錯誤，
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%．

點評 本題主要考查了燃燒熱、蓋斯定律、熱化學(xué)反應(yīng)方程式、反應(yīng)速率、化學(xué)平衡等重要知識，難度中等．