Question

20．研究CO₂的利用對促進低碳社會的構(gòu)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(xué)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(zhuǎn)化為甲醇的熱化學(xué)方程式為：
CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H
①該反應(yīng)的平衡常數(shù)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(zhì)的量之比為1：3），加入恒容密閉容器中，發(fā)生上述反應(yīng)反應(yīng)過程中測得甲醇的體積分數(shù)φ（CH₃OH）與反應(yīng)溫度T的關(guān)系如圖1所示，則該反應(yīng)的△H＜（填“＞”、“＜”或“=”，下同）0．
③在兩種不同條件下發(fā)生反應(yīng)，測得CH₃OH的物質(zhì)的量隨時間變化如圖2所示，曲線I、Ⅱ?qū)��?yīng)的平衡常數(shù)關(guān)系為K_Ⅰ＞K_Ⅱ．
（3）以CO₂為原料還可以合成多種物質(zhì)．
①工業(yè)上尿素[CO（NH₂）₂]由CO₂和NH₃在一定條件下合成，其反應(yīng)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(yīng)，達平衡時CO₂的轉(zhuǎn)化率為60%，則NH₃的平衡轉(zhuǎn)化率為40%．
②用硫酸溶液作電解質(zhì)進行電解，CO₂在電極上可轉(zhuǎn)化為甲烷，該電極反應(yīng)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(shù)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(jù)蓋斯定律，①-②×3可得：Fe₂O₃（s）+3CO（g）=2Fe（s）+3CO₂（g）；
（2）①化學(xué)平衡常數(shù)是可逆反應(yīng)達到平衡狀態(tài)時各種生成物濃度的化學(xué)計量數(shù)冪指數(shù)的乘積與各種反應(yīng)物濃度的化學(xué)計量數(shù)冪指數(shù)的乘積的比；
②由甲醇的體積分數(shù)φ（CH₃OH）與反應(yīng)溫度T的關(guān)系圖示可知：當(dāng)反應(yīng)達到平衡后，升高溫度，甲醇的體積分數(shù)減小，說明升高溫度，化學(xué)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(yīng)速率快，平衡時曲線Ⅱ甲醇的物質(zhì)的量較小，說明平衡向逆反應(yīng)進行，由于正反應(yīng)為氣體體積減小的反應(yīng)，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(xué)平衡常數(shù)減小；
（3）①由CO₂和NH₃在一定條件下合成尿素[CO（NH₂）₂]，根據(jù)質(zhì)量守恒定律書寫方程式；
假設(shè)n（CO₂）=1 mol，則n（NH₃）=3mol．由于達平衡時CO₂的轉(zhuǎn)化率為60%，所以反應(yīng)消耗的n（CO₂）=0.6 mol，根據(jù)方程式可知反應(yīng)的NH₃的物質(zhì)的量，進而計算氨氣的轉(zhuǎn)化率；
②用硫酸溶液作電解質(zhì)進行電解，CO₂在電極上可轉(zhuǎn)化為甲烷，酸性條件下還有水生成；
③根據(jù)電離常數(shù)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(jù)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(shù)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(shù)φ（CH₃OH）與反應(yīng)溫度T的關(guān)系圖示可知：當(dāng)反應(yīng)達到平衡后，升高溫度，甲醇的體積分數(shù)減小，說明升高溫度，化學(xué)平衡逆向移動，升高溫度平衡向吸熱反應(yīng)方向移動，逆反應(yīng)方向為吸熱反應(yīng)，所以正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，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(yīng)速率快，平衡時曲線Ⅱ甲醇的物質(zhì)的量較小，說明平衡向逆反應(yīng)進行，由于正反應(yīng)為氣體體積減小的反應(yīng)，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(xué)平衡常數(shù)K_Ⅰ＞K_Ⅱ，
故答案為：＞；
（3）①根據(jù)質(zhì)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(yīng)方程式為：2NH₃+CO₂$\stackrel{一定條件}{?}$CO（NH₂）₂+H₂O，
假設(shè)n（CO₂）=1 mol，則n（NH₃）=3mol，由于達平衡時CO₂的轉(zhuǎn)化率為60%，所以反應(yīng)消耗的n（CO₂）=0.6 mol，根據(jù)方程式可知反應(yīng)的NH₃的物質(zhì)的量n（NH₃）=1.2 mol，所以氨氣的轉(zhuǎn)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(zhì)進行電解，CO₂在電極上可轉(zhuǎn)化為甲烷，該電極反應(yīng)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(shù)大于HCO₃^-的電離常數(shù)，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(xué)平衡的計算，題目難度中等，涉及化學(xué)平衡及影響因素、熱化學(xué)方程式書寫、原電池、電離平衡常數(shù)等知識，是對學(xué)生綜合能力的考查，明確化學(xué)平衡及其影響為解答關(guān)鍵，試題知識點較多、綜合性較強，充分考查了學(xué)生的分析能力及化學(xué)計算能力．