Question

【題目】“綠色”和“生態文明”是未來的發展主題，而CO2的有效利用可以緩解溫室效應，解決能源短缺問題。

(1)CO2與CH4經催化重整，制得合成氣：CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g) △H

已知：反應1 CH4(g)═C(s)+2H2(g) △H1= +75kJ/mol

反應2 2CO(g)═C(s)+CO2(g) △H2=－172kJ/mol

則該催化重整反應的△H=___kJmol-1。

(2)有科學家提出可利用FeO吸收CO2：6FeO(s)+CO2(g)2Fe3O4(s)+C(s)，對該反應的描述正確的是__。

A.增大FeO的投入量，利于平衡正向移動

B.壓縮容器體積，可增大CO2的轉化率，c(CO2)減小

C.恒溫恒容下，氣體的密度不變可作為平衡的標志

D.恒溫恒壓下，氣體摩爾質量不變可作為平衡的標志

E.若該反應的△H﹤0，則達到化學平衡后升高溫度，CO2的物質的量會增加

(3)為研究CO2與CO之間的轉化，讓一定量的CO2與足量碳在體積可變的密閉容器中反應：C(s)+CO2(g)2CO(g) H，測得壓強、溫度對CO的體積分數[φ(CO)%]的影響如圖所示，回答下列問題：

①圖中p1、p2、p3的大小關系是______，圖中a、b、c三點對應的平衡常數Ka、Kb、Kc的大小關系是______。

②900℃、1.013MPa時，1molCO2與足量碳反應達平衡后容器的體積為VL，CO2的轉化率為___（保留一位小數），該反應的平衡常數K＝___。

③將②中平衡體系溫度降至640℃，壓強降至0.1013MPa，重新達到平衡后CO2的體積分數為50%。條件改變時，正反應速率______逆反應速率(填“>”、“<”或“=”)。

(4)在NaOH溶液中通入一定量的CO2氣體，所得溶液中c(HCO3-)：c(CO32-)=4：1，此時溶液pH=______。（已知：室溫下，H2CO3的k1=4×10-7，k2=5×10-11。lg2=0.3）

Answer 1

【答案】+247 CE p1<p2<p3 Ka=Kb<Kc 66.7% < 9.7

【解析】

(1)根據蓋斯定律，將已知的兩個熱化學方程式疊加，可得催化重整的熱化學方程式的反應熱；

(2)根據化學平衡狀態的特征及外界條件對化學平衡移動的影響分析判斷；

(3)①反應C(s)+CO2(g)2CO(g)是氣體分子數增多的反應，隨著反應進行，體系壓強增大；化學平衡常數只隨溫度的改變而改變；

②900℃、1.013MPa時，平衡時CO的體積分數為80%，計算CO2轉化的量，轉化率就是轉化的量與起始量比值的百分數，將各組分的平衡濃度代入平衡常數表達式計算化學平衡常數；

③根據改變條件前后CO2的體積分數的變化判斷，根據反應商判斷化學反應的方向；

(4)所得溶液c(HCO3-)：c(CO32-)=4：1，根據K2==5×10-11，計算c(H+)，再根據pH=-lgc(H+)計算溶液pH。

(1)①CH4(g)═C(s)+2H2(g) △H1= +75kJ/mol

②2CO(g)═C(s)+CO2(g) △H2=－172kJ/mol

根據蓋斯定律，將熱化學方程式①-②，整理可得：CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g) △H=+(75+172)kJ/mol=+247kJ/mol；

(2) A.FeO是固體，增大FeO的投入量，不能使化學平衡發生移動，A錯誤；

B.該反應的正反應是氣體體積減小的反應，壓縮容器體積，即增大壓強，化學平衡向氣體體積減小的正反應方向移動，最終達到平衡時CO2的轉化率增大，但平衡移動的趨勢是微弱的，不能抵消。又由于壓縮體積導致的物質的濃度增大，因此平衡時c(CO2)增大，B錯誤；

C.恒溫恒容時，氣體的質量是變量，容器的容積不變，氣體的密度也為變量，若氣體密度不變，則反應達到平衡狀態，因此可作為平衡的標志，C正確；

D.反應混合物中只有CO2為氣體，恒溫恒壓下，氣體摩爾質量始終不變，因此不可作為平衡的標志，D錯誤；

E.若該反應的△H﹤0，則達到化學平衡后，若升高溫度，化學平衡逆向移動，最終達到平衡時CO2的物質的量會增加，E正確；

故合理選項是CE；

(3)①反應C(s)+CO2(g)2CO(g)是氣體體積增大的反應，隨著反應進行，體系壓強增大。減小壓強有助于化學平衡正向移動，表明壓強低時對應著的CO體積分數較高，則p1、p2、p3的大小關系是：p1<p2<p3；

化學平衡常數只隨溫度的改變而改變，在壓強不變時，升高溫度，CO含量增大，說明升高溫度，化學平衡正向移動，化學平衡常數增大，因此a、b、c三點對應的平衡常數大小關系是：Ka=Kb<Kc；

②900℃、1.013MPa時，設反應轉化的CO2的物質的量為xmol，則平衡時n(CO)=2x，n(CO2)=1-x，根據圖象可知平衡時CO的體積分數為80%，則×100%=80%，解得x=，所以CO2的轉化率為：×100%=66.7%；

平衡時各種氣體的濃度，c(CO)=，c(CO2)=，所以根據化學平衡常數的含義，可得此時反應的化學平衡常數K=；

③反應C(s)+CO2(g)2CO(g)的正反應是氣體分子數增大的吸熱反應，降低壓強，升高溫度均有利于反應正向進行，所以將②中平衡體系溫度降至640℃，壓強降至0.1013 MPa，降低溫度減小壓強，使正、逆反應速率均減小，重新達到平衡后CO2的體積分數為50%，設反應轉化的CO2的物質的量為ymol，則平衡時n(CO2)=1-y，n(CO)=2y，則：=50%，解得y=mol<mol，可見重新達到平衡時，體系中CO含量降低，CO2含量升高，即化學平衡向逆反應方向移動，所以v(正)<v(逆)；

(4)所得溶液c(HCO3-)：c(CO32-)=4：1，由于K2==5×10-11，則c(H+)=2.0×10-10，所以溶液的pH=-lgc(H+)=10-0.3=9.7。