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”）情況下有利于該反應的進行。

③一定溫度下,在體積為固定的密閉容器中按計量比進行反應I,下列能說明反應達到了平衡狀態的是__________（填序號）。

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

④環境為真空時,在一敞開容器（非密閉容器）中加入NH2COONH4固體,足夠長時間后，反應是否建立平衡狀態? ___________（填“是”或“否”）

（2）將CO2和H2充入一定體積的密閉容器中，在兩種溫度下發生反應:CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)。測得CH3OH的物質的量隨時間的變化如下圖。

①曲線I.II對應的平衡常數大小關系為KI_______KII（填“ >”、“<”或“=”）。

②一定溫度下,在容積相同且固定的兩個密閉容器中，按如下方式加入反應物，一段時間后達到平衡。

容器	甲	乙
反應物投入量	1molCO2、3molH2	amolCO2、bmolH2 cmol CH3OH(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的0.8倍,則甲容器平衡混合氣體中CH3OH(g)的體積分數為_______，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,乙容器中c的取值范圍為________。

（3）以TiO2/Cu2Al2O4為催化劑，可以將CO2和CH4直接轉化成乙酸。在不同溫度下催化劑的催化效率與乙酸的生成速率的關系如下圖,乙酸的生成速率主要取決于溫度影響的范圍是________________。

Answer 1

【答案】 -159.47 高溫 BD 否 > 12.5% 0.4<c<1 300～400℃

【解析】(1)①反應Ⅰ：2NH3(g)+CO2(g)=NH2CO2NH4(s)△H1=a kJmol-1，反應Ⅱ：NH2CO2NH4(s) =CO(NH2)2(s)+H2O(g)△H2=+72.49kJmol-1，總反應Ⅲ：2NH3(g)+CO2(g) =CO(NH2)2(s)+H2O(g)△H3=-86.98kJmol-1，由蓋斯定律總反應Ⅲ-反應Ⅱ，得到2NH3(g)+CO2(g)=NH2CO2NH4(s)△H1=a=-159.47kJmol-1，故答案為：-159.47；

②反應Ⅱ：NH2CO2NH4(s) =CO(NH2)2(s)+H2O(g)△H2=+72.49kJmol-1，反應前后氣體體積增大，△S＞0，焓變分析可知是吸熱反應，△H＞0，所以依據反應自發進行的判斷依據△H-T△S＜0，需要在高溫下反應自發進行，故答案為：高溫；

③A．反應I中反應物為氣體，生成全部為固體，所以在反應前后，混合氣體的平均相對分子質量保持不變，所以不能作為平衡狀態的判斷標志，故A錯誤；B．反應I中，氣體的物質的量減小，所以反應的壓強減小，所以容器內氣體總壓強不再變化時，說明反應處于平衡狀態，故B正確；C．反應處于平衡狀態時v正(NH3)=2v逆(CO2)，故C錯誤；D．反應I中，容器體積不變，氣體質量減小，所以當容器內混合氣體的密度不再變化時，說明反應處于平衡狀態，故D正確；故選BD；

④環境為真空時,在一敞開容器(非密閉容器)中加入NH2COONH4固體，發生NH2CO2NH4(s) CO(NH2)2(s)+H2O(g)，水蒸氣進入環境中，濃度近似為0，無論經過多長時間，反應都不會建立平衡狀態，故答案為：否；

(2)①II平衡時間小于I，說明II反應速率大于I，且平衡時II中CH3OH的物質的量小于I，說明平衡向逆反應方向移動，則只能是升高溫度，即II的溫度大于I，溫度越高，平衡向逆反應方向移動，導致化學平衡常數越小，所以KⅠ＞KⅡ，,故答案為：＞；

②設二氧化碳反應量為x

CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g)

初始量(mol)： 1 3 0 0

轉化量(mol)： x 3x x x

平衡量(mol)：1-x 3-3x x x

甲中平衡后氣體的壓強為開始時的0.8倍，即=0.8 ，解得x=0.4mol，甲容器平衡混合氣體中CH3OH(g)的體積分數=物質的量分數=×100%=12.5%；依題意：甲、乙為等同平衡，且起始時維持反應逆向進行，所以全部由生成物投料，c的物質的量為1mol，c 的物質的量不能低于平衡時的物質的量0.4mol，所以c的物質的量為：0.4＜c＜1mol，故答案為：12.5%；0.4＜c＜1；

(3)①溫度超過250℃時，催化劑的催化效率降低，在300℃時失去活性，故以后乙酸的生成速率升高是由溫度升高導致的，故乙酸主要取決于溫度影響的范圍為300℃～400℃，故答案為：300℃～400℃。