Question

3．碳是一種生命元素，碳元素的循環(huán)對(duì)地球環(huán)境，從中衍生出來(lái)的CO₂可以有許多用途．回答下面問(wèn)題：
Ⅰ（1）已知溫度為T(mén)時(shí)：
CH₄（g）+2H₂O=CO₂（g）+4H₂（g）△H=+165KJ•mol
CO（g）+H₂O（g）=CO₂（g）+H₂（g）△H=-41KJ•mol
電解得到的CO、H₂在合適催化劑的作用下可以合成CH₄的反應(yīng)，溫度為T(mén)時(shí)，該反應(yīng)的熱化學(xué)方程式為CO（g）+3H₂（g）=CH₄（g）+H₂O（g）△H=-206kJ•mol?¹．
（2）在固態(tài)金屬氧化物電解池中，高溫電解H₂O～CO₂混合氣體制備H₂和CO是一種新的能源利用方式，基本原理如圖1所示．請(qǐng)問(wèn)：X是電源的（填正極或負(fù)極）負(fù)極；寫(xiě)出生成H₂的電極反應(yīng)式：H₂O+2eˉ=H₂+O^2-．
Ⅱ以CO₂和NH₃為原料合成尿素是固定和利用CO₂的成功范例．在尿素合成塔中的主要反應(yīng)（均自發(fā)進(jìn)行）可表示如下：
反應(yīng)Ⅰ：2NH₃（g）+CO₂（g）?NH₂CO₂NH₄（s）；△H₁
反應(yīng)Ⅱ：NH₂CO₂NH₄（s）?CO（NH₂）₂（s）+H₂O（l）；△H₂
反應(yīng)Ⅲ：2NH₃（g）+CO₂（g）?CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g）；△H₃
已知：H₂O（g）?H₂O（l）；△H₄
請(qǐng)回答下列問(wèn)題：
（1）反應(yīng)Ⅰ的△H₁=△H₃+△H₄-△H₂（用其他△H表示）．
（2）反應(yīng)Ⅱ的△S＞0 （填“＞”、“=”或“＜”）．
（3）某研究小組為探究反應(yīng)Ⅲ影響CO₂轉(zhuǎn)化率的因素，在其它條件一定時(shí)，圖2為CO₂轉(zhuǎn)化率受溫度變化影響的曲線，圖3是按不同氨碳比[n（NH₃）/n（CO₂）]投料時(shí)CO₂平衡轉(zhuǎn)化率的變化曲線．
當(dāng)溫度高于T℃后，CO₂轉(zhuǎn)化率變化趨勢(shì)如圖2所示，其原因是溫度高于T℃時(shí)，因?yàn)榉磻?yīng)Ⅲ為自發(fā)反應(yīng)，△S＜0，則反應(yīng)△H₃＜0，是放熱反應(yīng)，溫度升高平衡向逆方向進(jìn)行，CO₂的平衡轉(zhuǎn)化率降低．

（4）在某恒定溫度下，將NH₃和CO₂物質(zhì)的量之比按2：1充入一體積為10L的密閉容器中（假設(shè)容器體積不變，生成物的體積忽略不計(jì)且只發(fā)生反應(yīng)Ⅰ），經(jīng)15min達(dá)到平衡，各物質(zhì)濃度的變化曲線如圖4所示．
①在上述條件下，反應(yīng)Ⅰ的平衡常數(shù)的值為250．
②若保持平衡的溫度和體積不變，25min時(shí)再向該容器中充入2mol NH₃和1mol CO₂，在40min時(shí)重新達(dá)到平衡，請(qǐng)?jiān)趫D4中畫(huà)出25～50min內(nèi)CO₂的濃度變化趨勢(shì)曲線．

Answer 1

分析 Ⅰ（1）已知：①CH₄（g）+2H₂O=CO₂（g）+4H₂（g）△H=+165KJ•mol
②CO（g）+H₂O（g）=CO₂（g）+H₂（g）△H=-41KJ•mol
由蓋斯定律②-①可得CO（g）+3H₂（g）=CH₄（g）+H₂O（g），據(jù)此計(jì)算；
（2）電解池陽(yáng)極發(fā)生氧化反應(yīng)，陰極發(fā)生還原反應(yīng)，根據(jù)與X極相連的電極產(chǎn)生的氣體判斷；電解池陰極發(fā)生還原反應(yīng)，根據(jù)反應(yīng)物結(jié)合化合價(jià)的變化分析；
Ⅱ（1）①2NH₃（g）+CO₂（g）?NH₂CO₂NH₄（s）；△H₁
②NH₂CO₂NH₄（s）?CO（NH₂）₂（s）+H₂O（l）；△H₂
③2NH₃（g）+CO₂（g）?CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g）；△H₃
④H₂O（g）?H₂O（l）；△H₄
由蓋斯定律①=③+④-②可得；
（2）反應(yīng)Ⅱ：NH₂COONH₄（s）?CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g）是氣體體積增大的反應(yīng)，熵變△S＞0；
（3）溫度高于T℃時(shí)，因?yàn)榉磻?yīng)Ⅲ為自發(fā)反應(yīng)，△S＜0，則反應(yīng)△H₃＜0，是放熱反應(yīng)，溫度升高平衡向逆方向進(jìn)行，CO₂的平衡轉(zhuǎn)化率降低；
（4）①由圖象可知NH₃和CO₂的起始濃度分別為0.6mol/L、0.3mol/L，平衡時(shí)NH₃和CO₂的濃度分別為0.2mol/L、0.1mol/L，代入化學(xué)平衡常數(shù)K計(jì)算；
②根據(jù)等效平衡知識(shí)來(lái)作圖，25min時(shí)再向容器中充入2mol氨氣和1mol二氧化碳，在40min時(shí)重新達(dá)到平衡，則建立的是等效平衡，二氧化碳的平衡濃度保持不變．

解答 解：Ⅰ（1）已知：①CH₄（g）+2H₂O=CO₂（g）+4H₂（g）△H=+165KJ•mol
②CO（g）+H₂O（g）=CO₂（g）+H₂（g）△H=-41KJ•mol
由蓋斯定律②-①可得CO（g）+3H₂（g）=CH₄（g）+H₂O（g）△H=-206kJ•mol?¹；
故答案為：CO（g）+3H₂（g）=CH₄（g）+H₂O（g）△H=-206kJ•mol?¹；
（2）根據(jù)圖示知：與X相連的電極產(chǎn)生CO，電解H₂O-CO₂混合氣體，二氧化碳得到電子生成一氧化碳，發(fā)生還原反應(yīng)，電解池陰極發(fā)生還原反應(yīng)，所以X是電源的負(fù)極；
電解池陰極發(fā)生還原反應(yīng)，電解H₂O-CO₂混合氣體制備H₂和CO，陰極：水中的氫原子得到電子生成氫氣，H₂O+2e^-═H₂↑+O^2-；
故答案為：負(fù)極；H₂O+2eˉ=H₂↑+O^2-；
Ⅱ（1））①2NH₃（g）+CO₂（g）?NH₂CO₂NH₄（s）；△H₁
②NH₂CO₂NH₄（s）?CO（NH₂）₂（s）+H₂O（l）；△H₂
③2NH₃（g）+CO₂（g）?CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g）；△H₃
④H₂O（g）?H₂O（l）；△H₄
由蓋斯定律可知①=③+④-②，則△H₁=△H₃+△H₄-△H₂；
故答案為：△H₃+△H₄-△H₂；
（2）反應(yīng)Ⅱ：NH₂COONH₄（s）?CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g）是氣體體積增大的反應(yīng)，熵變△S＞0；
故答案為：＞；
（3）溫度高于T℃時(shí)，因?yàn)榉磻?yīng)Ⅲ為自發(fā)反應(yīng)，△S＜0，則反應(yīng)△H₃＜0，是放熱反應(yīng)，溫度升高平衡向逆方向進(jìn)行，CO₂的平衡轉(zhuǎn)化率降低；
故答案為：溫度高于T℃時(shí)，因?yàn)榉磻?yīng)Ⅲ為自發(fā)反應(yīng)，△S＜0，則反應(yīng)△H₃＜0，是放熱反應(yīng)，溫度升高平衡向逆方向進(jìn)行，CO₂的平衡轉(zhuǎn)化率降低；
（4）①反應(yīng)2NH₃（g）+CO₂（g）?NH₂CO₂NH₄（s），由圖象可知NH₃和CO₂的起始濃度分別為0.6mol/L、0.3mol/L，平衡時(shí)NH₃和CO₂的濃度分別為0.2mol/L、0.1mol/L，固體濃度視為不變，K=$\frac{1}{{c}^{2}（N{H}_{3}）•c（C{O}_{2}）}$=$\frac{1}{0．{2}^{2}×0.1}$=250；
故答案為：250；
②25min時(shí)再向容器中充入2mol氨氣和1mol二氧化碳，在40min時(shí)重新達(dá)到平衡，則建立的是等效平衡，二氧化碳的平衡濃度保持不變，曲線如下：；
故答案為：．

點(diǎn)評(píng) 本題考查較為綜合，涉及蓋斯定律的計(jì)算、電解池的原理、化學(xué)平衡等知識(shí)點(diǎn)，題目難度中等，試題綜合性較強(qiáng)，側(cè)重考查學(xué)生分析計(jì)算能力．