Question

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(qǐng)回答下列問題：
（1）用太陽能分解10mol液態(tài)水消耗的能量是

2858

kJ；
（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）在容積為2L的密閉容器中，由一定量的CO₂和H₂合成甲醇，在其他條件不變的情況下，溫度對(duì)反應(yīng)的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如右圖所示（注：T₁、T₂均大于300℃）；
下列說法正確的是

②③

（填序號(hào)）
①溫度為T₁時(shí)，從反應(yīng)開始到平衡，生成甲醇的平均速率為v（CH₃OH）=

nA

tA

 mol?L^-1?min^-1
②該反應(yīng)在T₁時(shí)的平衡常數(shù)比T₂時(shí)的大
③該反應(yīng)的△H＜0
④處于A點(diǎn)的反應(yīng)體系從T₁變到T₂，達(dá)到平衡時(shí)容器中氣體密度減小
⑤處于A點(diǎn)時(shí)容器中的壓強(qiáng)比處于B點(diǎn)時(shí)容器中的壓強(qiáng)大
（4）在T₁溫度時(shí)，將1mol CO₂和3mol H₂充入一密閉恒容器中，充分反應(yīng)達(dá)到平衡后，若CO₂轉(zhuǎn)化率為a，則容器內(nèi)的壓強(qiáng)與起始?jí)簭?qiáng)之比為

2-a

2

；
（5）在直接以甲醇為燃料的電池中，電解質(zhì)溶液為酸性，負(fù)極的反應(yīng)式為

CH₃OH+H₂O-6e^-=CO₂+6H⁺

．

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(jì)量數(shù)與反應(yīng)熱的關(guān)系來計(jì)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(jì)算反應(yīng)速率，并利用圖象中時(shí)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）根據(jù)化學(xué)平衡的三段法計(jì)算平衡時(shí)各物質(zhì)的物質(zhì)的量，再利用反應(yīng)前后氣體的物質(zhì)的量之比等于壓強(qiáng)之比來解答；
（5）根據(jù)原電池中負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，正極發(fā)生還原反應(yīng)，并考慮電解質(zhì)溶液參與電極反應(yīng)來分析；

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）生成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

2

O₂（g）=CO₂（g）△H=-283.0kJ?mol^-1
②CH₃OH（l）+

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；
①中按照其計(jì)算速率的方法可知反應(yīng)速率=

na 2

ta

=

na

2ta

mol/L?min，故①錯(cuò)誤；
②正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，根據(jù)題給圖象分析可知，T₂先達(dá)到平衡則T₂＞T₁，該反應(yīng)在T₁時(shí)的平衡常數(shù)比T₂時(shí)的大，故②正確；
③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)，該反應(yīng)的△H＜0，故③正確；
④處于A點(diǎn)的反應(yīng)體系從T₁變到T₂，達(dá)到平衡時(shí)，容器中氣體的質(zhì)量不變，體積減小，密度增大，故④錯(cuò)誤；
⑤A點(diǎn)甲醇的物質(zhì)的量大于B點(diǎn)，反應(yīng)是氣體體積減小的反應(yīng)，圖象分析溫度，T₂先達(dá)到平衡則T₂＞T₁，處于A點(diǎn)時(shí)容器中的壓強(qiáng)比處于B點(diǎn)時(shí)容器中的壓強(qiáng)小，故⑤錯(cuò)誤；
故答案為：②③；
（4）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

（5）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)，甲醇燃燒生成二氧化碳和水，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)，甲醇燃料電池的負(fù)極反應(yīng)式為：CH₃OH+H₂O-6e^-=CO₂+6H⁺；
故答案為：CH₃OH+H₂O-6e^-=CO₂+6H⁺；

點(diǎn)評(píng)：本題綜合性較強(qiáng)，考查知識(shí)點(diǎn)較多，注重了對(duì)高考熱點(diǎn)的考查，學(xué)生應(yīng)熟悉燃燒熱、蓋斯定律、熱化學(xué)反應(yīng)方程式、反應(yīng)速率、化學(xué)平衡、原電池等重要知識(shí)來解答．