Question

（15分）資源化利用二氧化碳不僅可減少溫室氣體的排放，還可重新獲得燃料或重要工業產品。
（1）以CO₂與NH₃為原料可合成化肥尿素[CO(NH₂)₂]。已知：
①2NH₃（g）＋ CO₂（g）＝ NH₂CO₂NH₄（s）    △H ＝ -159.47 kJ·mol^-1
②NH₂CO₂NH₄（s）＝ CO(NH₂)₂（s）＋ H₂O（g） △H ＝ +116.49 kJ·mol^-1
③H₂O（l）＝ H₂O（g） △H ＝+88.0 kJ·mol^-1
試寫出NH₃和CO₂合成尿素和液態水的熱化學方程式                           。
（2）在一定條件下，二氧化碳轉化為甲烷的反應如下：
CO₂(g)+4H₂(g)CH₄(g)+2H₂O(g)  ΔH＜0
①向一容積為2L的恒容密閉容器中充入一定量的CO₂和H₂，在300℃時發生上述反應，達到平衡時各物質的濃度分別為CO₂：0.2mol·L^—1，H₂：0.8mol·L^—1，CH₄：0.8mol·L^—1，H₂O：1.6mol·L^—1，起始充入CO₂和H₂的物質的量分別為         、          。CO₂的平衡轉化率為              。
②現有兩個相同的恒容絕熱（與外界沒有熱量交換）密閉容器I、II，在I中充入1 molCO₂,和4 molH₂，在II中充入1 mol CH₄和2 mol H₂ O(g) ，300℃下開始反應。達到平衡時，下列說法正確的是                （填字母）。

A．容器I、II中正反應速率相同

B．容器I、II中CH4的物質的量分數相同

C．容器I中CO2的物質的量比容器II中的多

D．容器I中CO2的轉化率與容器II中CH4的轉化率之和小于1

（3）華盛頓大學的研究人員研究出一種方法，可實現水泥生產時CO₂零排放，其基本原理如圖所示：

①上述生產過程的能量轉化方式是       。
②上述電解反應在溫度小于900℃時進行碳酸鈣先分解為CaO和CO₂，電解質為熔融碳酸鈉，則陽極的電極反應式為               ，陰極的電極反應式為                          。

Answer 1

（1）2NH₃（g）＋ CO₂（g）＝CO(NH₂)₂（s）＋H₂O（l）△H ＝—130.98 kJ·mol^－1 （3分）
（2）①2mol（1分）；8mol（1分）；80% （2分） ②CD（2分）
（3）①太陽能和電能轉化為化學能（2分）
②2CO₃^2－－4e^－=2CO₂↑+O₂↑（2分）；3CO₂+4e^－=C+2CO₃^2－（2分）

試題分析：（1）由①＋②－③可得：2NH₃(g)＋ CO₂(g)＝CO(NH₂)₂(s)＋H₂O(l) △H ＝—130.98 kJ·mol^－1 （3分）
（2）①假設起始的二氧化碳的物質的量為xmol，氫氣的物質的量為ymol：
CO₂(g)    +    4H₂(g)         CH₄(g)   +    2H₂O(g)  ΔH＜0
起始物質的量：    xmol         ymol                0             0
轉化物質的量：   1.6mol        6.4mol              1.6mol         3.2mol
平衡物質的量：  0.4mol         1.6mol              1.6mol         3.2mol
那么：x＝0.4mol＋1.6mol＝2.0mol      y＝6.4mol＋1.6mol＝8.0mol
CO₂的平衡轉化率為：
②A、容器I、II中的起始反應物不一樣，因此正反應速率不一定相等，錯誤；B、如果不是一個絕熱容器，那么在兩個容器中按題中的投料是等效平衡，也就是說兩個容器中甲烷的含量應該相等，但這是一個絕熱的容器，如果是二氧化碳和氫氣生成甲烷和水，正反應是放熱反應，放出的熱量使容器溫度升高，升高溫度會使得平衡逆向移動，使得甲烷的含量比前述的等效平衡時的要低，而投入甲烷和水，生成的是二氧化碳和氫氣，要吸熱，使得體系的溫度降低，而溫度的降低使得平衡正向移動，使得甲烷的含量比前述的等效平衡時的要高，因此容器I、II中CH₄的物質的量分數不相同，錯誤；C、容器I中是在前述等效平衡的基礎上逆向移動，容器II中是在前有識述等效平衡的基礎上正向移動，所以容器I中CO₂的物質的量比容器II中的多，正確；D、如果按照等效平衡來考慮的話，容器I中CO₂的轉化率與容器II中CH₄的轉化率之和等于1，但這是在絕熱容器中，是在等效平衡的基礎上又分別進行了移動，因此，容器I中CO₂的轉化率與容器II中CH₄的轉化率之和小于1，正確。
（3）①從圖中可知裝置是將太陽能和電能轉化為化學能（2分）
②陽極是失去電子的反應：2CO₃^2－－4e^－=2CO₂↑+O₂↑；陰極是得到電子的反應，得電子的物質只能是二氧化碳：3CO₂+4e^－=C+2CO₃^2－。