Question

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，并開發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，溫度對反應的影響，實驗結果如右圖所示（注：T₁、T₂均大于300℃）；
下列說法正確的是

②③

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

nA

tA

 mol?L^-1?min^-1
②該反應在T₁時的平衡常數比T₂時的大
③該反應的△H＜0
④處于A點的反應體系從T₁變到T₂，達到平衡時容器中氣體密度減小
⑤處于A點時容器中的壓強比處于B點時容器中的壓強大
（4）在T₁溫度時，將1mol CO₂和3mol H₂充入一密閉恒容器中，充分反應達到平衡后，若CO₂轉化率為a，則容器內的壓強與起始壓強之比為

2-a

2

；
（5）在直接以甲醇為燃料的電池中，電解質溶液為酸性，負極的反應式為

CH₃OH+H₂O-6e^-=CO₂+6H⁺

．

Answer 1

分析：（1）根據氫氣的燃燒熱可知水分解吸收的能量，然后利用化學計量數與反應熱的關系來計算；
（2）根據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水的熱化學方程式；
（3）根據圖象中甲醇的變化來計算反應速率，并利用圖象中時間與速率的關系來分析T₁、T₂，再利用影響平衡的因素來分析解答；
（4）根據化學平衡的三段法計算平衡時各物質的物質的量，再利用反應前后氣體的物質的量之比等于壓強之比來解答；
（5）根據原電池中負極發生氧化反應，正極發生還原反應，并考慮電解質溶液參與電極反應來分析；

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，
故答案為：CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2 H₂O（l）△H=-443.5kJ?mol^-1；
（3）根據題給圖象分析可知，T₂先達到平衡則T₂＞T₁，由溫度升高反應速率增大可知T₂的反應速率大于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+3H₂?CH₃OH+H₂O向逆反應方向移動，故正反應為放熱反應，則T₁時的平衡常數比T₂時的大；
①中按照其計算速率的方法可知反應速率=

na 2

ta

=

na

2ta

mol/L?min，故①錯誤；
②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，故②正確；
③依據圖象分析T₂先達到平衡則T₂＞T₁，由溫度升高反應速率增大可知T₂的反應速率大于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+3H₂?CH₃OH+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③正確；
④處于A點的反應體系從T₁變到T₂，達到平衡時，容器中氣體的質量不變，體積減小，密度增大，故④錯誤；
⑤A點甲醇的物質的量大于B點，反應是氣體體積減小的反應，圖象分析溫度，T₂先達到平衡則T₂＞T₁，處于A點時容器中的壓強比處于B點時容器中的壓強小，故⑤錯誤；
故答案為：②③；
（4）由化學平衡的三段模式法計算可知，
       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
根據相同條件下氣體的壓強之比等于物質的量之比，
則容器內的壓強與起始壓強之比為=

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，負極失電子發生氧化反應，正極得電子發生還原反應，甲醇燃燒生成二氧化碳和水，但在酸性介質中，正極不會生成大量氫離子，則電解質參與電極反應，甲醇燃料電池的負極反應式為：CH₃OH+H₂O-6e^-=CO₂+6H⁺；
故答案為：CH₃OH+H₂O-6e^-=CO₂+6H⁺；

點評：本題綜合性較強，考查知識點較多，注重了對高考熱點的考查，學生應熟悉燃燒熱、蓋斯定律、熱化學反應方程式、反應速率、化學平衡、原電池等重要知識來解答．