Question

利用太陽能分解水產生H₂，在催化劑作用下H₂與CO₂反應合成CH₃OH，并開發出直接以甲醇為燃料的燃料電池。已知：H₂(g)+1/2O₂(g)=H₂O(l) ΔH=－285.8 kJ·mol^－1、CH₃OH(l)+ 3/2O₂(g)= CO₂ (g)+ 2H₂O(l) ΔH=－726.5 kJ·mol^－1、CO(g) +1/2O₂(g)= CO₂ (g) ΔH=－283.0 kJ·mol^－1。
請回答下列問題：
⑴用太陽能分解18g水，需要消耗的能量為          kJ。
⑵ 液態CH₃OH不完全燃燒生成CO和液態H₂O的熱化學方程式為             。
⑶CO₂合成燃料CH₃OH是碳減排的新方向。在容積為2 L的密閉容器中，充2 mol CO₂和6 mol H₂，由CO₂和H₂合成甲醇，反應式：CO₂(g)＋3H₂(g)CH₃OH(g)＋H₂O(g)，在其他條件不變的情況下，考察溫度對反應的影響，實驗結果如下圖所示(注：T₁、T₂均大于300 ℃)：

①下列說法正確的是           
A．溫度為T₂時，從反應開始到平衡，生成甲醇的平均速率為:  v(CH₃OH)＝n_B/t_B mol·(L·min)^－1
B．T₂＞T₁，T₂平衡時，甲醇產量變少，所以該反應為放熱反應
C．該反應在T₂時的平衡常數比T₁時的平衡常數大
D．處于A點的反應體系從T₁變到T₂，平衡逆向移動
②能判斷該反應已達化學反應限度標志的是        （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
⑷科學家致力于CO₂的“組合轉化”技術研究，如將CO₂和H₂以體積比1∶4比例混合通入反應器，適當條件下，反應可獲得一種能源。完成以下化學方程式，就能知道該種能源。
CO₂＋4H₂2H₂O ＋         。
⑸ 在直接以甲醇為燃料的燃料電池中，電解質溶液為酸性，總反應式為：2CH₃OH + 3O₂＝2CO₂＋4H₂O，則正極的反應式為             ；負極的反應式為            。

Answer 1

(1) 285.8 （3分）  ⑵ CH₃OH(l) + O₂(g)＝CO(g) + 2H₂O(l)  ΔH=－443.5 kJ·mol^－1（3分）
⑶ ①BD（2分）  ②A （2分）      (4) CH₄（2分）
⑸ 4H⁺+O₂+4e^- = 2H₂O（2分）、   CH₃OH+H₂O-6e^- = CO₂+6H⁺（2分）

試題分析：（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18g水即1mol H₂O（l）消耗的能量為285.8kJ。
（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。
（3）①A、中按照其計算速率的方法可知反應速率=＝mol/L?min，故A錯誤；B、正反應為放熱反應，根據題給圖象分析可知，T₂先達到平衡則T₂＞T₁，又溫度高時平衡狀態CH₃OH的物質的量少，則說明可逆反應CO₂+3H₂CH₃OH+H₂O向逆反應方向移動，故正反應為放熱反應，該反應的△H＜0，故B正確；C、正反應為放熱反應，根據題給圖象分析可知，T₂先達到平衡，則T₂＞T₁，該反應在T₁時的平衡常數比T₂時的大，C不正確；D、處于A點的反應體系從T₁變到T₂，溫度升高，正方應放熱，則平衡向逆反應方向移動，D正確，答案選BD。
②在一定條件下，當可逆反應的正反應速率和逆反應速率相等時（但不為0），反應體系中各種物質的濃度或含量不再發生變化的狀態，稱為化學平衡狀態，則A、H₂的百分含量保持不變可以說明反應達到平衡狀態，A正確；B、平衡時濃度不再發生變化，但各物質的濃度之間不一定相等或滿足某種關系，因此容器中CO₂ 濃度與H₂濃度之比為1: 3不能說明反應達到平衡狀態，B不正確；C、密度是混合氣的質量和容器容積的比值，在反應過程中質量和容積始終是不變的，因此容器中混合氣體的密度保持不變不能說明反應達到平衡狀態，C不正確；D、CO₂消耗速率與CH₃OH生成速率方向一致，根據速率之比等于相應的化學計量數之比可知，二者的速率始終是相等的，不能說明達到平高姿態，D不正確，答案選A。
（4）根據原子守恒可知，反應中另外一種生成物是甲烷，即CO₂＋4H₂  CH₄＋2H₂O。
（5）直接以甲醇為燃料的電池中，電解質溶液為酸性，正極氧氣得到電子，則正極電極反應式為4H⁺+O₂+4e^- = 2H₂O。甲醇燃料電池，燃料在負極失電子發生氧化反應，負極的反應式為CH₃OH+H₂O-6e^- = CO₂+6H⁺。