Question

12．發展潔凈煤技術、利用CO₂制備清潔能源等都是實現減碳排放的重要途徑．

（1）將煤轉化成水煤氣的反應：C（s）+H₂O（g）?CO（g）+H₂（g）可有效提高能源利用率，若在上述反應體系中加入催化劑（其他條件保持不變），此反應的△H不變（填“增大”、“減小”或“不變”），判斷的理由是加入催化劑后反應物和生成物的總能量不變．
（2）CO₂制備甲醇：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.0kJ•mol^-1，在體積為1L的密閉容器中，充入1mol CO₂和3mol H₂，測得CO₂（g） 和CH₃OH（g） 濃度隨時間變化如圖1所示．
①該反應化學平衡常數K的表達式是$\frac{c（{H}_{2}O）c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）{c}^{3}（{H}_{2}）}$．
②0～9min時間內，該反應的平均反應速率ν（H₂）=0.25mol/L•min．
③在相同條件下，密閉容器的體積縮小至0.5L時，此反應達平衡時放出的熱量（Q）可能是c（填字母序號）kJ．
0＜Q＜29.5      b.29.5＜Q＜36.75     c.36.75＜Q＜49     d.49＜Q＜98
④在一定條件下，體系中CO2的平衡轉化率（α）與L和 X的關系如圖2所示，L和X 分別表示溫度或壓強．
X表示的物理量是． 判斷L₁與L₂飛大小關系．
（3）科學家用氮化鎵材料與銅組裝如圖3的人工光合系統，利用該裝置成功地實現了以CO₂和H₂O合成CH₄．
寫出銅電極表面的電極反應式，為提高該人工光合系統的工作效率，可向裝置中加入少量硫酸（選填“鹽酸”或“硫酸”）．
（4）利用CO₂和NH₃為原料也合成尿素，在合成塔中的主要反應可表示如下：
反應①：2NH₃（g）+CO₂（g）=NH₂CO₂NH₄（s）△H₁=-159.47KJ/mol
反應②：NH₂CO₂NH₄（s）=CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g）△H₂=+72.49kJ•mol^-1
總反應：2NH₃（g）+CO₂（g）=CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g）△H=-86.98kJ•mol^-1；
則反應①的△H₁=-159.47KJ/mol．
（5）現將amol鐵和bmol銅的混合物與含有cmolHNO₃的稀溶液充分反應，設還原產物為NO．下列結論不正確的是BC（填序號）
A．若剩余金屬0.5amol，則氧化產物為一種或二種
B．若只有一種氧化產物，則3c=8a
C．若有二種氧化產物，被還原的硝酸物質的量為0.25cmol
D．若有三種氧化產物，被還原的硝酸物質的量為0.25cmol．

Answer 1

分析 （1）催化劑改變反應速率不改變化學平衡；
（2）①平衡常數K=$\frac{生成物平衡濃度冪次方乘積}{反應物平衡濃度冪次方乘積}$；
②圖象讀取甲醇生成濃度，結合反應速率概念計算甲醇的反應速率，依據反應速率之比等于化學方程式計量數之比得到氫氣反應速率；
③反應焓變是指1mol二氧化碳和3mol氫氣完全反應放出的熱量為49KJ，反應是可逆反應，在體積為1L的密閉容器中，充入1molCO₂和3molH₂，反應放熱一定小于49KJ，結合圖象中二氧化碳轉化率計算此時達到平衡放出的熱量，在相同條件下，密閉容器的體積縮小至0.5L時，壓強增大，平衡正向進行，反應放出熱量會增多；
④反應是氣體體積減小的放熱反應，升溫平衡逆向進行，增大壓強平衡正向進行，據此分析圖象確定表示的物理量；
（3）根據題意知，該反應是可逆反應，反應物是硫化氫，根據圖象知，生成物中含有S元素的物質是氫氣的一半，則生成物是S₂和H₂，再結合反應條件書寫方程式；（5）①由電池裝置圖可知，Cu上二氧化碳得電子生成甲烷；
②根據酸的揮發性分析；
（4）反應Ⅰ的熱化學方程式可以依據反應Ⅱ、Ⅲ熱化學方程式計算得到，同時得到反應的焓變；
（5）還原性Fe＞Cu，則稀硝酸不足時鐵優先反應生成硝酸亞鐵：3Fe+8HNO₃=3Fe（NO₃）₂+2NO↑+4H₂O，若硝酸有剩余，則銅參與反應：3Cu+8HNO₃=3Cu（NO₃）₂+2NO↑+4H₂O，若硝酸足量，則亞鐵離子被氧化生成鐵離子，發生總反應為：Fe+4HNO₃=Fe（NO₃）₃+NO↑+2H₂O，據此對各選項進行判斷．

解答 解：（1）將煤轉化成水煤氣的反應：C（s）+H₂O?CO₂（g）+H₂（g）可有效提高能源利用率，若在上述反應體系中加入催化劑（其他條件保持不變），催化劑改變反應速率不改變化學平衡，不改變反應焓變，此反應的△H不變，加入催化劑后反應物和生成物的總能量不變
故答案為：不變；加入催化劑后反應物和生成物的總能量不變；
（2）①CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g），反應的平衡常數表達式為：K=$\frac{c（{H}_{2}O）c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）{c}^{3}（{H}_{2}）}$，
故答案為：$\frac{c（{H}_{2}O）c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）{c}^{3}（{H}_{2}）}$；
②圖象讀取甲醇生成濃度，結合反應速率概念計算甲醇的反應速率=$\frac{0.75mol/L}{9min}$，反應速率之比等于化學方程式計量數之比，V（H₂）=3V（CH₃OH（g）=3×$\frac{0.75mol/L}{9min}$=0.25mol/L•min，
故答案為：0.25mol/L•min；
③CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.0kJ•mol^-1，反應達到平衡狀態消耗二氧化碳物質的量濃度=1mol/L-0.25mol/L=0.75mol/L，物質的量為0.75mol，反應放出熱量=49KJ/mol×0.75mol=36.75KJ，反應焓變是指1mol二氧化碳和3mol氫氣完全反應放出的熱量為49KJ，反應是可逆反應，在體積為1L的密閉容器中，充入1molCO₂和3molH₂，反應放熱一定小于49KJ，在相同條件下，密閉容器的體積縮小至0.5L時，壓強增大，平衡正向進行，反應放出熱量會增多，大于36.75KJ，則36.75＜Q＜49，
故答案為：c；
④CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.0kJ•mol^-1，反應是氣體體積減小的放熱反應，
i．溫度升高，平衡逆向進行，二氧化碳轉化率減小，所以X為溫度，L為壓強，
故答案為：溫度；
ii．溫度一定壓強增大平衡正向進行二氧化碳轉化率增大，所以L₁＞L₂，
故答案為：L₁＞L₂；
（3）由電池裝置圖可知，Cu上二氧化碳得電子生成甲烷，則Cu電極上的電極反應為：CO₂+8e^-+8H⁺=CH₄+2H₂O，可向裝置中加入少量的酸作電解質，由于鹽酸易揮發，生成的甲烷中會混有HCl氣體，所以選用硫酸，不用鹽酸
故答案為：CO₂+8e^-+8H⁺=CH₄+2H₂O；硫酸；
（4）反應Ⅰ：2NH₃（g）+CO₂（g）?NH₂COONH₄（s）△H₁=akJ•mol^-1
反應Ⅱ：NH₂COONH₄（s）?CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g）△H₂=+72.49kJ•mol^-1
總反應Ⅲ：2NH₃（g）+CO₂（g）?CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g）△H₃=-86.98kJ•mol^-1
依據蓋斯定律計算反應Ⅰ+反應Ⅱ得到：2NH₃（g）+CO₂（g）?CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g）△H₃=akJ•mol^-1+72.49kJ•mol^-1=-86.98kJ•mol^-1
a=-159.47akJ•mol^-1，
故答案為：-159.47KJ/mol；
（5）A．若剩余金屬0.5a mol，該金屬可能為鐵或銅，若為鐵，則溶質為硝酸亞鐵，若為銅，則氧化產物可能為硝酸亞鐵和硝酸銅，故A正確；
B．若只有一種氧化產物，說明鐵過量，銅沒有參與反應，反應后溶質為硝酸亞鐵，但是amol鐵不一定完全反應，無法確定a與c的關系，故B錯誤；
C．若只有二種氧化產物，氧化產物可能為硝酸亞鐵和硝酸銅或硝酸銅和硝酸鐵，硝酸可能過量，稀硝酸不一定完全反應，則無法計算被還原的硝酸的量，故C錯誤；
D．若有三種氧化產物，氧化產物為硝酸銅、硝酸鐵和硝酸亞鐵，說明硝酸完全反應，根據反應3Cu+8HNO₃=3Cu（NO₃）₂+2NO↑+4H₂O、3Fe+8HNO₃=3Fe（NO₃）₂+2NO↑+4H₂O、Fe+4HNO₃=Fe（NO₃）₃+NO↑+2H₂O可知，被還原的硝酸的物質的量為cmol×$\frac{1}{4}$=0.25cmol，故D正確；
故答案為：BC．

點評 本題考查了原電池原理、方程式的書寫、化學平衡常數、平衡移動等，題目涉及的知識點較多，側重于考查學生對基礎知識的綜合應用能力，題目難度中等．