Question

17．碳氫化合物是重要的能源物質(zhì)．
（1）丙烷脫氫可得丙烯．己知：有關(guān)化學反應的能量變化如圖所示．

則相同條件下，反應C₃H₈（g）→CH₃CH=CH₂（g）+H₂（g）的△H=+124.2 kJ•mol^-1．
（2）以丙烷為燃料制作新型燃料電池，電池的正極通入O₂和CO₂，負極通入丙烷，電解質(zhì)是熔融碳酸鹽．電池正極反應式為O₂+4e^-+2CO₂=2CO₃^2-．
（3）常溫常壓下，空氣中的CO₂溶于水，達到平衡時，溶液的pH=5.60，c（H₂CO₃）=1.5×10^-5mol•L^-1．若忽略水的電離及H₂CO₃的第二級電離，則H₂CO₃?HCO₃^-+H⁺的平衡常數(shù)K₁=4.2×10^-7mol/L．（結(jié)果保留2位有效數(shù)字）（己知10^-5.60=2.5×10^-6）
（4）用氨氣制取尿素的反應為：2NH₃（g）+CO₂（g）═CO（NH₂）₂ （l）+H₂O（g）△H＜0
某溫度下，向容積為100L的密閉容器中通入4molNH₃和2molCO₂，該反應進行到40s時達到平衡，此時CO₂的轉(zhuǎn)化率為50%．
①理論上生產(chǎn)尿素的條件是D．（填選項編號）
A．高溫、高壓     B．高溫、低壓     C．低溫、低壓      D．低溫、高壓
②下列描述能說明反應達到平衡狀態(tài)的是B、D．
A．反應混合物中CO₂和H₂O的物質(zhì)的量之比為1：2
B．混合氣體的總質(zhì)量不隨時間的變化而變化
C．單位時間內(nèi)消耗2a molNH₃，同時生成a molH₂O
D．保持溫度和容積不變，混合氣體的壓強不隨時間的變化而變化
③該溫度下此反應平衡常數(shù)K的值為2500L²/mol²．
④圖中的曲線I表示該反應在前25s內(nèi)的反應進程中的NH₃濃度變化．．在0～25s內(nèi)該反應的平均反應速率v（CO₂）=3×10^-4mol/（L•s）．

保持其它條件不變，只改變一種條件，圖象變成II，則改變的條件可能是使用催化劑．

Answer 1

分析 （1）根據(jù)能量變化圖寫出熱化學方程式，所求反應可由已知熱效應的熱化學方程式推導，根據(jù)蓋斯定律計算所求反應的焓變；
（2）以丙烷為燃料制作新型燃料電池，電池的正極通入O₂和CO₂，負極通入丙烷，電解質(zhì)是熔融碳酸鹽，考慮到熔融的物質(zhì)作為電解質(zhì)，原電池正極發(fā)生的反應是物質(zhì)得到電子，發(fā)生還原反應，根據(jù)電池正極通入的物質(zhì)考慮，反應生成CO₃^2-，據(jù)此寫出電極反應式；
（3）H₂CO₃?HCO₃^-+H⁺的平衡常數(shù)K₁=$\frac{c（{H}^{+}）c（HC{O}_{3}^{-}）}{c（{H}_{2}C{O}_{3}）}$，平衡時，溶液的pH=5.60，c（H₂CO₃）=1.5×10^-5mol/L若忽略水的電離及H₂CO₃的第二級電離，據(jù)此計算；
（4）①用氨氣制取尿素的反應為：2NH₃（g）+CO₂（g）═CO（NH₂）₂ （l）+H₂O（g）△H＜0，反應為放熱反應，隨著反應進行，氣體分子數(shù)減小，體系壓強降低，所以降低溫度，增大加強，均有利于化學平衡正向移動；
②反應為：2NH₃（g）+CO₂（g）═CO（NH₂）₂ （l）+H₂O（g），化學平衡是動態(tài)平衡，反應為放熱反應，隨著飯進行，體系壓強降低，據(jù)此判斷化學平衡狀態(tài)的特點；
③向容積為100L的密閉容器中通入4molNH₃和2molCO₂，該反應進行到40s時達到平衡，此時CO₂的轉(zhuǎn)化率為50%，據(jù)此計算體系中各氣體組分的平衡濃度，代入平衡常數(shù)表達式計算；
④根據(jù)濃度變化圖，0～25s內(nèi)NH₃的濃度變化為（40-25）×10^-3mol/L=1.5×10^-2mol/L，根據(jù)化學反應平均速率計算公式$\overline{r}（N{H}_{3}）=\frac{△c}{△t}$計算NH₃的平均速率，由化學反應速率之比等于化學計量數(shù)之比計算CO₂的平均速率，平衡時c（NH₃）=0.02mol/L，改變條件，沒有改變化學平衡，據(jù)此判斷改變的條件．

解答 解：（1）根據(jù)有關(guān)的反應能量變化圖，可知
①C₃H₈（g）═CH₄（g）+HC≡CH（g）+H₂（g）△H₁=+156.6kJ/mol，
②CH₃CH═CH₂（g）═CH₄（g）+HC≡CH（g）△H₂=+32.4kJ/mol，
所求反應為：C₃H₈（g）→CH₃CH=CH₂（g）+H₂（g），該反應可由①-②得到，根據(jù)蓋斯定律，該反應的焓變?yōu)椤鱄=△H₁-△H₂=156.6-32.4=+124.2kJ/mol，
故答案為：+124.2；
（2）以丙烷為燃料制作新型燃料電池，電池的正極通入O₂和CO₂，負極通入丙烷，電解質(zhì)是熔融碳酸鹽，考慮到熔融的物質(zhì)作為電解質(zhì)，原電池正極發(fā)生的反應是物質(zhì)得到電子，發(fā)生還原反應，根據(jù)電池正極通入的物質(zhì)考慮，反應生成CO₃^2-，則電池正極反應式為：O₂+4e^-+2CO₂=2CO₃^2-，
故答案為：O₂+4e^-+2CO₂=2CO₃^2-；
（3）H₂CO₃?HCO₃^-+H⁺的平衡常數(shù)K₁=$\frac{c（{H}^{+}）c（HC{O}_{3}^{-}）}{c（{H}_{2}C{O}_{3}）}$，平衡時，溶液的pH=5.60，略水的電離及H₂CO₃的第二級電離，c（H₂CO₃）=1.5×10^-5mol/L，則溶液中平衡時c（H⁺）=c（HCO₃^-）=10^-5.6mol/L，c（H₂CO₃）=1.5×10^-5mol/L，則反應的平常數(shù)為K₁=$\frac{1{0}^{-5.6}mol/L×1{0}^{-5.6}mol/L}{1.5×1{0}^{-5}mol/L}$=$\frac{（2.5×1{0}^{-6}mol/L）^{2}}{1.5×1{0}^{-5}mol/L}$=4.2×10^-7mol/L，
故答案為：4.2×10^-7mol/L；
（4）①用氨氣制取尿素的反應為：2NH₃（g）+CO₂（g）═CO（NH₂）₂ （l）+H₂O（g）△H＜0，反應為放熱反應，隨著反應進行，氣體分子數(shù)減小，體系壓強降低，所以降低溫度，增大加強，均有利于化學平衡正向移動，據(jù)此判斷，理論上生產(chǎn)尿素的條件是：低溫、高壓，故選D，
故答案為：D；
②反應為：2NH₃（g）+CO₂（g）═CO（NH₂）₂ （l）+H₂O（g），化學平衡是動態(tài)平衡，反應為放熱反應，隨著飯進行，體系壓強降低，向容積為100L的密閉容器中通入4molNH₃和2molCO₂，該反應進行到40s時達到平衡，此時CO₂的轉(zhuǎn)化率為50%，
A．反應混合物中CO₂和H₂O的物質(zhì)的量之比為1：2，化學平衡時，CO₂和H₂O的物質(zhì)的量之比不一定為1：2，不能判斷化學平衡，故A不選；
B．混合氣體的總質(zhì)量不隨時間的變化而變化，由于反應不止是氣體參加反應，因此隨著反應進行，氣體的總質(zhì)量會發(fā)生改變，當達到化學平衡時，氣體的總質(zhì)量不變，可以說明化學平衡，故B選；
C．單位時間內(nèi)消耗2a molNH₃，同時生成a molH₂O，化學反應達到平衡之前就是單位時間內(nèi)消耗2a molNH₃，同時生成a molH₂O，不能說明化學反應達到平衡，故C不選；
D．保持溫度和容積不變，混合氣體的壓強不隨時間的變化而變化，反應過程中氣體分子數(shù)發(fā)生改變，體系壓強也改變，當反應達到平衡時，混合氣體的壓強不再改變，可以說明反應達到化學平衡，故D選；
故答案為：B、D；
③向容積為100L的密閉容器中通入4molNH₃和2molCO₂，該反應進行到40s時達到平衡，此時CO₂的轉(zhuǎn)化率為50%，則反應達到平衡時，c（CO₂）=$\frac{2mol×50%}{100L}$=0.01mol/L，c（NH₃）=$\frac{4mol-2×2mol×50%}{100L}$=0.02mol/L，c（H₂O）=$\frac{2mol×50%}{100L}$=0.01mol/L，所以化學平衡常數(shù)為K=$\frac{c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）{c}^{2}（N{H}_{3}）}$=$\frac{0.01mol/L}{（0.02mol/L）^{2}×（0.01mol/L）}$=2500L²/mol²，
故答案為：2500L²/mol²；
④根據(jù)濃度變化圖，0～25s內(nèi)NH₃的濃度變化為（40-25）×10^-3mol/L=1.5×10^-2mol/L，根據(jù)化學反應平均速率計算公式$\overline{r}（N{H}_{3}）=\frac{△c}{△t}$=$\frac{1.5×1{0}^{-2}mol/L}{25s}$=6×10^-4mol/（L•s），由化學反應速率之比等于化學計量數(shù)之比，則v（CO₂）=$\frac{1}{2}\overline{r}（N{H}_{3}）$=3×10^-4mol/L，
衡時c（NH₃）=0.02mol/L，改變條件，沒有改變化學平衡，根據(jù)圖象分析，在相同時間內(nèi)，II的NH₃濃度消耗得更快，可知II的化學反應速率更快，但化學平衡沒有改變，所以改變的條件是使用催化劑，
故答案為：3×10^-4mol/L；使用催化劑．

點評 本題考查化學原理部分知識，包含熱化學方程式的書寫，蓋斯定律的應用，化學平衡的移動，化學反應速率的計算，化學平衡常數(shù)的計算，催化劑對化學平衡的影響，涉及的知識點較多，均為高頻考點，有效得考查綜合能力，題目難度中等．