Question

12．科學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，考察溫度對反應的影響，實驗結果如圖所示，下列說法正確的是②⑤（填序號）
①250℃時，0～10minH₂反應速率為0.015mol/（L•min）
②該反應在T時生成甲醇的速率比250℃時的小
③T時，若3v（CO）=v（H₂），則該反應達到平衡
④若密閉容器中混合氣體密度不變則該反應達到化學平衡狀態(tài)
⑤平衡時CO₂的轉化率：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，充分反應達到平衡后，若CO₂轉化率為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，電解質溶液為堿性，負極的反應式為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的物質的量少，則說明升高溫度反應CO₂+3H₂?CH₃OH+H₂O向逆反應方向移動，則正反應為放熱反應，
①根據(jù)v=$\frac{\frac{△n}{V}}{△t}$計算250℃時，0～10min用H₂表示的反應速率；
②溫度越高，反應速率越快；
③T時，若3v（CO）=v（H₂），沒有告訴正逆反應，無法判斷平衡狀態(tài)；
④該反應過程中密度為定值；
⑤根據(jù)圖象曲線判斷平衡時CO₂的轉化率大小；
（4）根據(jù)二氧化碳的轉化率計算平衡時各物質的物質的量，恒溫恒容下，壓強之比對氣體物質的量之比；
（5）原電池負極發(fā)生氧化反應，正極發(fā)生還原反應，甲醇在負極失去電子，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），該反應的反應熱△H=-726.5kJ•mol^-1-（-283.0kJ•mol^-1）=-443.5kJ•mol^-1，
故熱化學方程式為：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的物質的量少，則說明升高溫度反應CO₂+3H₂?CH₃OH+H₂O向逆反應方向移動，則正反應為放熱反應，
①250℃時，0～10min時用H₂表示的反應速率為：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℃，溫度越高反應速率越快，則該反應在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，無法判斷是否達到平衡狀態(tài)，故③錯誤；
④該反應前后都是氣體，氣體的總質量不變，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，平衡時甲醇的物質的量：T℃＞250℃，甲醇的物質的量越大說明二氧化碳的轉化率越高，則平衡時CO₂的轉化率：T℃時大于250℃，故⑤正確；
故答案為：②⑤；
（4）反應達到平衡后，若CO₂轉化率為a，則：
           CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH（g）+H₂O（g）
起始（mol）：1        3        0        0
轉化（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）原電池負極發(fā)生氧化反應，正極發(fā)生還原反應，甲醇在負極失去電子，酸性條件下生成二氧化碳，由電荷守恒可知，還生成氫離子，負極電極反應式為2CH₃OH+2H₂O-12e^-=2CO₂+12H⁺，
故答案為：2CH₃OH+2H₂O-12e^-=2CO₂+12H⁺．

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