Question

利用太陽能分解水產(chǎn)生H₂，在催化劑作用下H₂與CO₂反應(yīng)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

2

O₂（g）═H₂O（l）△H=-285.8kJ?mol^-1、
CH₃OH（l）+

3

2

O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-726.5kJ?mol^-1
CO（g）+

1

2

O₂（g）═CO₂（g）△H=-283.0kJ?mol^-1請回答下列問題：
（1）用太陽能分解18g水，需要消耗的能量為

 

 kJ．
（2）液態(tài)CH₃OH不完全燃燒生成CO和液態(tài)H₂O的熱化學(xué)方程式為

 

．
（3）CO₂合成燃料CH₃OH是碳減排的新方向．在容積為2L的密閉容器中，充2mol CO₂和6mol H₂，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，考察溫度對反應(yīng)的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí)，從反應(yīng)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(shí)，甲醇產(chǎn)量變少，所以該反應(yīng)為放熱反應(yīng)
C．該反應(yīng)在T₂時(shí)的平衡常數(shù)比T₁時(shí)的平衡常數(shù)大
D．處于A點(diǎn)的反應(yīng)體系從T₁變到T₂，平衡逆向移動
②能判斷該反應(yīng)已達(dá)化學(xué)反應(yīng)限度標(biāo)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
（4）科學(xué)家致力于CO₂的“組合轉(zhuǎn)化”技術(shù)研究，如將CO₂和H₂以體積比1：4比例混合通入反應(yīng)器，適當(dāng)條件下，反應(yīng)可獲得一種能源．完成以下化學(xué)方程式，就能知道該種能源．CO₂+4H₂

一定條件  .

2H₂O+

 

．
（5）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,常見化學(xué)電源的種類及其工作原理,化學(xué)平衡的影響因素,化學(xué)平衡狀態(tài)的判斷

專題：化學(xué)平衡專題

分析：（1）由H₂（g）的燃燒熱化學(xué)方程式可以寫出水分解的熱化學(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）①A、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)溫度的變化對平衡的影響，判斷平衡移動的方向，再據(jù)此判斷；
C、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)平衡移動的方向，再判斷平衡常數(shù)的變化；
D、根據(jù)溫度變化后對生成物的物質(zhì)的量的影響，可判斷平衡移動方向；
②可逆反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，一定滿足正逆反應(yīng)速率相等，各組分的濃度、百分含量不再變化，據(jù)此進(jìn)行判斷；
（4）根據(jù)化學(xué)反應(yīng)中元素守恒，可推斷出產(chǎn)物；
（5）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18g水分解需消耗的能量為：

1

2

×571.6kJ=285.8 kJ；故答案為：285.8；
（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（g）+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)方程式可寫為：CH₃OH（g）+O₂（g）═CO（g）+2H₂O（l）△H=-443.55kJ?mol^-1，
故答案為：CH₃OH（g）+O₂（g）═CO（g）+2H₂O（l）△H=-443.55kJ?mol^-1；
（3）①A、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錯誤；
B、T₂＞T₁，T₂平衡時(shí)，甲醇產(chǎn)量變少，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)，故B正確；
C、根據(jù)反應(yīng)CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）是放熱反應(yīng)可知，升高溫度，平衡向逆反應(yīng)方向移動，該反應(yīng)在T₁時(shí)的平衡常數(shù)比T₂時(shí)的大，故C錯誤；
D、處于A點(diǎn)的反應(yīng)體系從T₁變到T₂，升高溫度，甲醇的物質(zhì)的量減小，平衡向逆反應(yīng)方向移動，故D正確；
故答案為：BD；
②根據(jù)可逆反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，一定滿足正逆反應(yīng)速率相等，各組分的濃度、百分含量不再變化，可知：
A、H₂的百分含量保持不變，則反應(yīng)處于平衡狀態(tài)，故A正確；
B、容器中CO₂濃度與H₂濃度之比在反應(yīng)過程中始終為1：3，故不能作為反應(yīng)是否處于平衡狀態(tài)的判斷標(biāo)志，故B錯誤；
C、該反應(yīng)在恒容條件下進(jìn)行，反應(yīng)前后氣體的質(zhì)量始終不變，也就是說反應(yīng)過程中，密度沒有變化，因此容器中混合氣體的密度保持不變不能作為平衡狀態(tài)的判斷標(biāo)志，故C錯誤；
D、CO₂消耗速率與CH₃OH生成速率都是指正反應(yīng)速率，不能判斷正逆反應(yīng)速率是否相等，也就不能說明反應(yīng)是否處于平衡狀態(tài)，故D錯誤；
故答案為：A；
（4）根據(jù)化學(xué)反應(yīng)中元素守恒，可推斷出CO₂和4H₂反應(yīng)生成2H₂O外，還有一種物質(zhì)應(yīng)當(dāng)是CH₄，故答案為：CH₄；
（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)，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：本題主要考查了熱化學(xué)方程式、平衡移動的影響因素、平衡狀態(tài)的判斷、原電池的電極反應(yīng)的書寫等知識，有一定綜合性，知識夸度較大，中等難度．