Question

【題目】研究CO2的綜合利用對促進“低碳經濟”的發展有重要意義。

(1)工業上以CO2、NH3為原料生產尿素[CO(NH2)2]，反應實際為兩步進行：

I：2NH3(g)+CO2(g)H2NCOONH4(s) △H1=-272kJ·mol-1

II：H2NCOONH4(s)CO(NH2)2(s)+H2O(g) △H2=+138kJ·mol-1

已知：H2O(l)==H2O(g) △H3=+44kJ·mol-1

①請寫出以NH3、CO2為原料，合成尿素和液態水的熱化學方程式______________。

②T1℃時，在1L的密閉容器中充入CO2和NH3模擬工業生產，n(NH3)/n(CO2)=x，如圖是CO2平衡轉化率()與x的關系。求圖中A點NH3的平衡轉化率=________％。

③當x=1.0時，若起始的壓強為p0kPa，水為液態，平衡時壓強變為起始的1/2。則該反應的平衡常數Kp=_______(kPa)-3(KP為以分壓表示的平衡常數)。

(2)用CO2和H2合成甲醇：3H2(g)+CO2(g)CH3OH(g)+H2O(g)△H=－49.0kJ·mol-1。在T℃時，甲、乙、丙三個2L的恒容密閉容器中，按不同方式投入反應物，測得平衡時有關數據如下：

①甲容器10s達到平衡時測得x=39.2，則甲中CO2的平均反應速率____________。

②下列說法正確的是________(填字母編號)。

A．2c1<c3 B．z<2y C．p3>2p2 D．α1+α3>1

(3)用NaOH溶液做碳捕捉劑可獲得化工產品Na2CO3。常溫下若某次捕捉后得到pH=10的溶液，則溶液中c(CO32-)：c(HCO3-)=_____[K1(H2CO3)=4.4×10-7、K2(H2CO3)=5×10-11]，溶液中c(Na+)_____c(HCO3-)+2c(CO32-)(填“>”“=”或“＜”)。

Answer 1

【答案】2NH3(g)＋CO2(g)H2O(l)＋CO(NH2)2(s) ΔH=－178 kJmol-1 33.3 Kp=108/p03 0.04 molL-1s-1 AB 1︰2或0.5 >

【解析】

本題研究CO2的綜合利用對促進“低碳經濟”的發展有重要意義，實際以CO2的性質為載體考查了化學反應原理的綜合知識，難度適中。

(1) ①NH3、CO2為原料，合成尿素和液態水的熱化學方程式為2NH3(g)+CO2(g) CO(NH2)2(s)+H2O(l) △H，根據蓋斯定律可知△H=△H1+△H2-△H3=－178 kJmol-1，因而有2NH3(g)＋CO2(g)H2O(l)＋CO(NH2)2(s) ΔH=－178 kJmol-1；

②A點時，n(NH3)/n(CO2)=3.0，設n(CO2)=1mol，n(NH3)=3mol，CO2平衡轉化率為0.50，則轉化的CO2的量為1mol×0.50=0.5mol，那么根據2NH3(g)+CO2(g) CO(NH2)2(s)+H2O(l)可知轉化的NH3為0.5mol×2=1mol，NH3的平衡轉化率=1mol/3mol×100％=33.3％；

③當x=1.0時，設n(NH3)=n(CO2)=1mol，根據三段式可知：

2NH3(g)+CO2(g) CO(NH2)2(s)+H2O(l)

起 1 1

轉 2x x

平 1-2x 1-x

又若起始的壓強為p0kPa，水為液態，平衡時壓強變為起始的1/2，可知=，解得x=mol，則n平(NH3)=mol，n平(CO2)=mol，那么p平(NH3)=×= kPa，p平(CO2)= ×=kPa，因而Kp==(kPa)-3；

(2)①根據3H2(g)+CO2(g)CH3OH(g)+H2O(g)△H=－49.0kJ·mol-1，可知消耗的CO2的量為1mol×=0.8mol，v(CO2)==0.04mol·L-1·s-1；

②A.已知甲和乙為全等等效平衡，平衡時c1=c2，乙和丙的投料比相等，若處于恒壓時，c2=c3*，c3*為恒壓時丙中甲醇濃度，此時，丙是乙體積的兩倍，但題目要求恒容，因而可將丙壓縮一半體積，瞬間濃度為2c3*，由于壓縮體積相當于加壓，根據氣體計量數可知，平衡向右移動，則甲醇濃度變大，因而c3>2c3*，綜合上述分析可知c3>2c1，A正確；

B.乙和丙的投料比相等，假設在恒壓時，c2=c3*，c3*為恒壓時丙中甲醇濃度，由于丙是乙體積的兩倍，丙中甲醇的消耗量是乙的兩倍，可推出吸收的熱量關系為z*=2y（注意乙和丙為逆反應，為吸熱反應），z*為恒壓時丙中熱量變化，但題目要求恒容，因而可將丙壓縮一半體積，由于壓縮體積相當于加壓，根據氣體計量數可知，平衡向右移動，則甲醇的量變多，即吸收的熱量減少，即z< z*，故z<2y，B正確；

C.根據B中分析可知平衡時，丙中甲醇的消耗量是小于乙中甲醇的消耗量的兩倍，由于恒溫恒容時壓強之比等于物質的量之比，因而可推知丙中氣體壓強是小于乙中氣體的兩倍，即p3<2p2，C錯誤；

D.已知甲和乙為全等等效平衡，平衡時c1=c2，甲中α1=2c1/1=2c1，乙中α2=(1-2c2)/1=1-2c2，因而α1+α2=2c1+1-2c2=1，根據C可知平衡時，丙中甲醇的消耗量是小于乙中甲醇的消耗量的兩倍，因而α3小于α2，所以α1+α3<1，D錯誤。

故答案選AB。

(3) pH=10，c(H+)=10-10mol/L，又K2(H2CO3)=，因而c(CO32-)：c(HCO3-)= K2(H2CO3)/c(H+)=1︰2，溶液中電荷守恒關系式為c(Na+)+ c(H+)=c(HCO3-)+2c(CO32-)+ c(OH-)，又溶液pH=10，則c(OH-)> c(H+)，所以c(Na+)>c(HCO3-)+2c(CO32-)。