Question

20．研究CO₂的利用對促進低碳社會的構建具有重要意義．
（1）將CO₂與焦炭作用生成CO，CO可用于煉鐵等．
已知：①Fe₂O₃（s）+3C（s，石墨）=2Fe（s）+3CO（g）△H₁=+489.0kJ•mol^-1
         ②C（s，石墨）+CO₂（g）=2CO（g）△H₂=+172.5kJ•mol^-1
則CO還原Fe₂O₃（s）的熱化學方程式為Fe₂O₃（s）+3CO（g）=2Fe（s）+3CO₂（g）△H=-28.5 kJ•mol^-1．
（2）二氧化碳合成甲醇是碳減排的新方向，將CO₂轉化為甲醇的熱化學方程式為：
CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H
①該反應的平衡常數表達式為K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）•c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）•{c}^{3}（{H}_{2}）}$．
②取一定體積CO₂和H₂的混合氣體（物質的量之比為1：3），加入恒容密閉容器中，發生上述反應反應過程中測得甲醇的體積分數φ（CH₃OH）與反應溫度T的關系如圖1所示，則該反應的△H＜（填“＞”、“＜”或“=”，下同）0．
③在兩種不同條件下發生反應，測得CH₃OH的物質的量隨時間變化如圖2所示，曲線I、Ⅱ對應的平衡常數關系為K_Ⅰ＞K_Ⅱ．
（3）以CO₂為原料還可以合成多種物質．
①工業上尿素[CO（NH₂）₂]由CO₂和NH₃在一定條件下合成，其反應方程式為2NH₃+CO₂$\stackrel{一定條件}{?}$CO（NH₂）₂+H₂O．開始以氨碳比=3進行反應，達平衡時CO₂的轉化率為60%，則NH₃的平衡轉化率為40%．
②用硫酸溶液作電解質進行電解，CO₂在電極上可轉化為甲烷，該電極反應的方程式為CO₂+8e^-+8H⁺=CH₄+2H₂O．
③將足量CO₂通入飽和氨水中可得氮肥NH₄HCO₃，已知常溫下一水合氨K_b=1.8×10^-5，碳酸一級電離常數K_a=4.3×10^-7，則NH₄HCO₃溶液呈堿性（填“酸性”、“中性”或“堿性”）．

Answer 1

分析 （1）已知：①Fe₂O₃（s）+3C（s，石墨）═2Fe（s）+3CO（g）△H₁=+489.0kJ•mol^-1
②C（s，石墨）+CO₂（g）═2CO（g）△H₂=+172.5kJ•mol^-1
根據蓋斯定律，①-②×3可得：Fe₂O₃（s）+3CO（g）=2Fe（s）+3CO₂（g）；
（2）①化學平衡常數是可逆反應達到平衡狀態時各種生成物濃度的化學計量數冪指數的乘積與各種反應物濃度的化學計量數冪指數的乘積的比；
②由甲醇的體積分數φ（CH₃OH）與反應溫度T的關系圖示可知：當反應達到平衡后，升高溫度，甲醇的體積分數減小，說明升高溫度，化學平衡逆向移動；
③曲線Ⅱ比I先達到平衡，說明曲線Ⅱ的反應速率快，平衡時曲線Ⅱ甲醇的物質的量較小，說明平衡向逆反應進行，由于正反應為氣體體積減小的反應，不能是增大壓強，說明溫度曲線Ⅱ＞I，由于溫度高，CH₃OH含量低，說明化學平衡常數減小；
（3）①由CO₂和NH₃在一定條件下合成尿素[CO（NH₂）₂]，根據質量守恒定律書寫方程式；
假設n（CO₂）=1 mol，則n（NH₃）=3mol．由于達平衡時CO₂的轉化率為60%，所以反應消耗的n（CO₂）=0.6 mol，根據方程式可知反應的NH₃的物質的量，進而計算氨氣的轉化率；
②用硫酸溶液作電解質進行電解，CO₂在電極上可轉化為甲烷，酸性條件下還有水生成；
③根據電離常數可知HCO₃^-水解強于NH₄⁺水解，故顯弱堿性．

解答 解：（1）已知：①Fe₂O₃（s）+3C（s，石墨）═2Fe（s）+3CO（g）△H₁=+489.0kJ•mol^-1
②C（s，石墨）+CO₂（g）═2CO（g）△H₂=+172.5kJ•mol^-1
根據蓋斯定律，①-②×3可得：Fe₂O₃（s）+3CO（g）=2Fe（s）+3CO₂（g）△H=-28.5 kJ•mol^-1，
故答案為：Fe₂O₃（s）+3CO（g）=2Fe（s）+3CO₂（g）△H=-28.5 kJ•mol^-1；
（2）①CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）的平衡常數表達式K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）•c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）•{c}^{3}（{H}_{2}）}$，
故答案為：$\frac{c（C{H}_{3}OH）•c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）•{c}^{3}（{H}_{2}）}$；
②由甲醇的體積分數φ（CH₃OH）與反應溫度T的關系圖示可知：當反應達到平衡后，升高溫度，甲醇的體積分數減小，說明升高溫度，化學平衡逆向移動，升高溫度平衡向吸熱反應方向移動，逆反應方向為吸熱反應，所以正反應為放熱反應，所以△H＜0，
故答案為：＜；
③曲線Ⅱ比I先達到平衡，說明曲線Ⅱ的反應速率快，平衡時曲線Ⅱ甲醇的物質的量較小，說明平衡向逆反應進行，由于正反應為氣體體積減小的反應，不能是增大壓強，說明溫度曲線Ⅱ＞I，由于溫度高，CH₃OH含量低，說明化學平衡常數K_Ⅰ＞K_Ⅱ，
故答案為：＞；
（3）①根據質量守恒定律，由CO₂和NH₃在一定條件下合成尿素[CO（NH₂）₂]的反應方程式為：2NH₃+CO₂$\stackrel{一定條件}{?}$CO（NH₂）₂+H₂O，
假設n（CO₂）=1 mol，則n（NH₃）=3mol，由于達平衡時CO₂的轉化率為60%，所以反應消耗的n（CO₂）=0.6 mol，根據方程式可知反應的NH₃的物質的量n（NH₃）=1.2 mol，所以氨氣的轉化率為（1.2 mol÷3mol）×100%=40%，
故答案為：2NH₃+CO₂$\stackrel{一定條件}{?}$CO（NH₂）₂+H₂O；40%；
②用硫酸溶液作電解質進行電解，CO₂在電極上可轉化為甲烷，該電極反應的方程式為：CO₂+8e^-+8H⁺=CH₄+2H₂O，
故答案為：CO₂+8e^-+8H⁺=CH₄+2H₂O；
③一水合氨的電離常數大于HCO₃^-的電離常數，可知HCO₃^-水解程度強于NH₄⁺水解程度，故NH₄HCO₃溶液呈弱堿性，
故答案為：堿性．

點評 本題考查化學平衡的計算，題目難度中等，涉及化學平衡及影響因素、熱化學方程式書寫、原電池、電離平衡常數等知識，是對學生綜合能力的考查，明確化學平衡及其影響為解答關鍵，試題知識點較多、綜合性較強，充分考查了學生的分析能力及化學計算能力．