Question

【題目】CO2是一種溫室氣體，據科學家預測，到21世紀中葉，全球氣溫將升高1.5～4.5 ℃，地球氣溫的升高會引起海平面升高，對人類的生存環境產生巨大的影響。如何合理地利用CO2是擺在科學家面前的一個重大課題。回答下列問題：

（1）工業上利用高溫、高壓條件，可用CO2與NH3合成尿素[CO(NH2)2]，該反應的化學方程式為___。

（2）一定條件下，不同量的CO2與不同量的NaOH充分反應放出的熱量如下表所示：

	CO2的量	NaOH溶液的量	放出的熱量
①	22.0 g	750 mL 1.0 mol·L－1	x kJ
②	1.0 mol	2.0 L 1.0 mol·L－1	y kJ

寫出該條件下CO2與NaOH溶液反應生成NaHCO3的熱化學方程式： ___________________。

（3）在一定溫度和催化劑作用下，可將CO2轉化為燃料CH4，反應方程式為CO2(g)＋4H2(g) CH4(g)＋2H2O(g)　ΔH。當300 ℃時，一定量的CO2和H2混合氣體在容積為2 L的恒容密閉容器中發生上述反應，5 min后達到平衡，此時各物質的濃度如下表：

物質	CO2(g)	H2(g)	CH4(g)	H2O(g)
濃度/mol·L－1	0.2	0.8	a	1.6

則平衡時容器中甲烷的物質的量n(CH4)＝________。從反應開始到達到平衡時的化學反應速率v(CH4)＝__________。500 ℃時該反應的平衡常數K＝16，則該反應的ΔH__________(填“＞”“＜”)0。

（4）CO2還可用于生產甲醇，一定條件下，發生反應CO2(g)＋3H2(g) CH3OH(g)＋H2O(g)　ΔH。

①在容積為2 L的恒容密閉容器中，通入2 mol CO2和3 mol H2發生上述反應，下列說法能夠表明該可逆反應達到平衡狀態的是__________(填字母)。

a．消耗3 mol H2(g)時，有1 mol CH3OH(g)生成

b．轉移3 mol電子時，反應的CO2為11.2 L(標準狀況)

c．體系中氣體的密度不變

d．水蒸氣的體積分數保持不變

e．單位時間內生成H2(g)與生成H2O(g)的物質的量之比為3∶1

②用多孔石墨作電極，30% KOH溶液作電解質溶液，可設計如圖甲所示的甲醇燃料電池，該電池的負極反應式為______________________________。若將該燃料電池與電解飽和食鹽水的裝置進行串聯(如圖)，當有0.12 mol 電子發生轉移時，斷開電源，將溶液冷卻至室溫，測得食鹽溶液為120 mL，則此時乙裝置中溶液的pH＝________(假設食鹽水中有足量的NaCl，且Cl2完全逸出)。

Answer 1

【答案】CO2＋2NH3CO(NH2)2＋H2O CO2(g)＋NaOH(aq)=NaHCO3(aq)　ΔH＝－(4x－y) kJ·mol－1 1.6 mol 0.16 mol·L－1·min－1 ＜ de CH3OH－6e－＋8OH－=CO32-＋6H2O 14

【解析】

（1）CO2與NH3合成尿素，其反應方程式為CO2＋2NH3CO(NH2)2＋H2O；

答案為CO2＋2NH3CO(NH2)2＋H2O；

（2）22.0 g CO2的物質的量為＝0.5 mol，n(NaOH)＝1.0 mol·L－1×0.75 L＝0.75 mol，即n(CO2)∶n(NaOH)＝2∶3，此時的熱化學方程式為2CO2(g)＋3NaOH(aq)=NaHCO3(aq)＋Na2CO3(aq)＋H2O(l)　ΔH＝－4x kJ·mol－1　Ⅰ；n(CO2)＝1.0 mol，n(NaOH)＝1.0 mol·L－1×2.0 L＝2.0 mol，即n(CO2)∶n(NaOH)＝1∶2，此時的熱化學方程式為2NaOH(aq)＋CO2(g)=Na2CO3(aq)＋H2O(l)　ΔH＝－y kJ·mol－1　Ⅱ；根據蓋斯定律，Ⅰ－Ⅱ可得目標熱化學方程式：NaOH(aq)＋CO2(g)=NaHCO3(aq)　ΔH＝－(4x－y) kJ·mol－1；

答案為NaOH(aq)＋CO2(g)=NaHCO3(aq)　ΔH＝－(4x－y) kJ·mol－1；

（3）根據化學方程式中CH4與H2O的化學計量數的關系可計算c(CH4)＝＝0.8 mol·L－1，平衡時容器中的甲烷的物質的量n(CH4)＝0.8 mol·L－1×2 L＝1.6 mol；v(CH4)＝＝0.16 mol·L－1·min－1；300 ℃時，平衡常數K＝＝25＞16，即300 ℃時的平衡常數比500 ℃時大，由此可見升溫時，平衡逆向移動，故正反應為放熱反應，即ΔH＜0；

答案為1.6 mol；0.16 mol·L－1·min－1；＜；

（4）①a、消耗H2，生成CH3OH，反應方向都是向正反應方向進行，因此消耗3molH2，生成1molCH3OH，不能說明反應達到平衡，故a不符合題意；

b、反應的任何時間，都有轉移3mol電子時，反應的CO2為11.2L(標況下)，不能說明反應達到平衡，故b不符合題意；

c、組分都是氣體，氣體總質量不變，容器為恒容，氣體體積不變，因此氣體密度不變，不能說明反應達到平衡，故c不符合題意；

d、根據化學平衡的定義，當水蒸氣的體積分數不再改變，說明反應達到平衡，故d符合題意；

e、生成H2，反應向逆反應方向進行，生成H2O，反應向正反應方向進行，且3：1等于化學計量數之比，因此單位時間內生成H2(g)與生成H2O(g)的物質的量比為3∶1，能說明反應達到平衡，故e符合題意；

答案為de；

②負極上CH3OH被氧化生成CO2，CO2與溶液中的OH－反應生成CO32－，故負極反應式為CH3OH－6e－＋8OH－=CO32-＋6H2O；電解飽和食鹽水的陰極反應式為2H2O＋2e－=2OH－＋H2↑，轉移0.12 mol電子時，生成的n(NaOH)＝n(e－)＝0.12 mol，c(OH－)＝＝1 mol·L－1，c(H＋)＝＝10－14 mol·L－1，pH＝－lg10－14＝14；

答案為CH3OH－6e－＋8OH－=CO32-＋6H2O；14。