Question

【題目】“一碳化學”是指以含一個碳原子的化合物(如CO2、CO、CH4、CH3OH等)為初始反應物，合成一系列重要的化工原料和燃料的化學。

（1）以CO2和NH3為原料合成尿素是利用CO2的成功范例。在尿素合成塔中的主要反應可表示如下：

反應I：2NH3(g)+CO2(g)NH2COONH4(s) H1

反應II：NH2COONH4(s)CO(NH2)2(s)+H2O(g) H2=+72.49kJ/mol

總反應：2NH3(g)+CO2(g)CO(NH2)2(s)+H2O(g) H3=-86.98kJ/mol

請回答下列問題：

①反應I的H1=__kJ/mol。

②反應II一般在__(填“高溫或“低溫")條件下有利于該反應的進行。

③一定溫度下，在體積固定的密閉容器中按計量比投料進行反應I，下列能說明反應達到了平衡狀態的是__(填字母序號)。

A.混合氣體的平均相對分子質量不再變化

B.容器內氣體總壓強不再變化

C.2v正(NH3)=v逆(CO2)

D.容器內混合氣體的密度不再變化

（2）將CO2和H2按物質的量之比為1：3充入一定體積的密閉容器中，發生反應：CO2(g)+3H2(g)=CH3OH(g)+H2O(g) H。測得CH3OH的物質的量在不同溫度下隨時間的變化關系如圖所示。

①根據圖示判斷H__0(填“>”或“<”)。

②一定溫度下，在容積均為2L的兩個密閉容器中，按如下方式加入反應物，10min后達到平衡。

容器	甲	乙
反應物投入量	1molCO2、3molH2	amolCO2、bmolH2 cmolCH3OH(g)、cmolH2O(g)(a、b、c均不為零)

若甲容器平衡后氣體的壓強為開始時的0.8倍，則反應10min內甲容器中以CH3OH(g)表示的化學反應速率為__，此溫度下的化學平衡常數為__(保留兩位小數)；要使平衡后乙容器與甲容器中相同組分的體積分數相等，且起始時維持化學反應向逆反應方向進行，則乙容器中c的取值范圍為__。

（3）氫氣可將CO2還原為甲烷，反應為CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(g)。ShyamKattel等結合實驗與計算機模擬結果，研究了在Pt/SiO2催化劑表面上CO2與H2的反應歷程，前三步歷程如圖所示其中吸附在Pt/SiO2催化劑表面用“·”標注，Ts表示過渡態。物質吸附在催化劑表面，形成過渡態的過程會__(填“放出熱量”或“吸收熱量”)；反應歷程中最小能壘(活化能)步驟的化學方程式為__。

Answer 1

【答案】-159.47 高溫 BD < 0.02mol·L-1·min-1 0.18 0.4<c<1 吸收熱量 OH+H== H2O(g)

【解析】

（1）①根據蓋斯定律計算反應I的H1；

②根據復合判據分析。

③根據平衡標志分析；

（2）①由圖象可知，T2溫度下反應速率快，所以T2>T1；升高溫度，平衡時甲醇的物質的量減小；

②利用三段式計算反應速率和平衡常數；利用極值法判斷c的取值范圍；

（3）根據圖象可知，吸附態的能量小于過渡態；活化能最小的過程是CO、OH、H+3H2(g)生成CO+3H2(g)+H2O。

（1）①反應I：2NH3(g)+CO2(g)NH2COONH4(s) H1

反應II：NH2COONH4(s)CO(NH2)2(s)+H2O(g) H2=+72.49kJ/mol

根據蓋斯定律I+II得總反應：2NH3(g)+CO2(g)CO(NH2)2(s)+H2O(g) H3=-86.98kJ/mol，所以H1=-86.98kJ/mol-72.49kJ/mol=-159.47kJ/mol；

②NH2COONH4(s)CO(NH2)2(s)+H2O(g) H>0，氣體物質的量增大S>0，根據復合判據，一般在高溫條件下有利于該反應的進行；

③A.在體積固定的密閉容器中按計量比投料進行反應，容器中氣體物質始終是NH3(g)、CO2且物質的量比等于2:1，所以混合氣體的平均相對分子質量是定值，平均相對分子質量不再變化，不一定平衡，故不選A；

B.體積固定，正反應氣體物質的量減小，所以壓強是變量，容器內氣體總壓強不再變化，一定達到平衡狀態，故選B；

C.反應達到平衡狀態時，正逆反應的速率比等于系數比，v正(NH3)=2v逆(CO2)時達到平衡狀態，2v正(NH3)=v逆(CO2)時反應沒有達到平衡狀態，故不選C；

D.體積固定，氣體質量減小，密度是變量，若容器內混合氣體的密度不再變化，一定達到平衡狀態，故選D；

答案選BD；

（2）①由圖象可知，T2溫度下反應速率快，所以T2>T1；升高溫度，平衡時甲醇的物質的量減小，即升高溫度平衡逆向移動，H<0；

②設達到平衡是，CO2轉化了xmol/L，根據三等式，有：

甲容器平衡后氣體的壓強為開始時的0.8倍，則，x=0.2；反應10min內甲容器中以CH3OH(g)表示的化學反應速率為0.02mol·L-1·min-1，此溫度下的化學平衡常數為0.18；

平衡后乙容器與甲容器中相同組分的體積分數相等，說明甲乙的平衡是等效的。該反應CO2(g)+3H2(g)=CH3OH(g)+H2O(g)反應前后體積發生變化，在恒溫恒容的條件下，兩容器發生反應達到等效平衡，則“一邊倒”后，加入的物質完全相同。若CO2和H2完全反應，則生成甲醇最大的量為1mol，達到平衡時，甲醇的物質的量為0.2mol/L×2=0.4mol，則乙容器中c的取值范圍為0.4<c<1；

（3）根據圖象可知，吸附態的能量小于過渡態，所以物質吸附在催化劑表面，形成過渡態的過程會吸收熱量；活化能最小的過程是CO、OH、H+3H2(g)生成CO+3H2(g)+H2O，反應方程式是OH+H==H2O(g)。