Question

20．研究CO₂的利用对促进低碳社会的构建具有重要意义．
（1）将CO₂与焦炭作用生成CO，CO可用于炼铁等．
已知：①Fe₂O₃（s）+3C（s，石墨）=2Fe（s）+3CO（g）△H₁=+489.0kJ•mol^-1
         ②C（s，石墨）+CO₂（g）=2CO（g）△H₂=+172.5kJ•mol^-1
则CO还原Fe₂O₃（s）的热化学方程式为Fe₂O₃（s）+3CO（g）=2Fe（s）+3CO₂（g）△H=-28.5 kJ•mol^-1．
（2）二氧化碳合成甲醇是碳减排的新方向，将CO₂转化为甲醇的热化学方程式为：
CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H
①该反应的平衡常数表达式为K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）•c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）•{c}^{3}（{H}_{2}）}$．
②取一定体积CO₂和H₂的混合气体（物质的量之比为1：3），加入恒容密闭容器中，发生上述反应反应过程中测得甲醇的体积分数φ（CH₃OH）与反应温度T的关系如图1所示，则该反应的△H＜（填“＞”、“＜”或“=”，下同）0．
③在两种不同条件下发生反应，测得CH₃OH的物质的量随时间变化如图2所示，曲线I、Ⅱ对应的平衡常数关系为K_Ⅰ＞K_Ⅱ．
（3）以CO₂为原料还可以合成多种物质．
①工业上尿素[CO（NH₂）₂]由CO₂和NH₃在一定条件下合成，其反应方程式为2NH₃+CO₂$\stackrel{一定条件}{?}$CO（NH₂）₂+H₂O．开始以氨碳比=3进行反应，达平衡时CO₂的转化率为60%，则NH₃的平衡转化率为40%．
②用硫酸溶液作电解质进行电解，CO₂在电极上可转化为甲烷，该电极反应的方程式为CO₂+8e^-+8H⁺=CH₄+2H₂O．
③将足量CO₂通入饱和氨水中可得氮肥NH₄HCO₃，已知常温下一水合氨K_b=1.8×10^-5，碳酸一级电离常数K_a=4.3×10^-7，则NH₄HCO₃溶液呈碱性（填“酸性”、“中性”或“碱性”）．

Answer 1

分析 （1）已知：①Fe₂O₃（s）+3C（s，石墨）═2Fe（s）+3CO（g）△H₁=+489.0kJ•mol^-1
②C（s，石墨）+CO₂（g）═2CO（g）△H₂=+172.5kJ•mol^-1
根据盖斯定律，①-②×3可得：Fe₂O₃（s）+3CO（g）=2Fe（s）+3CO₂（g）；
（2）①化学平衡常数是可逆反应达到平衡状态时各种生成物浓度的化学计量数幂指数的乘积与各种反应物浓度的化学计量数幂指数的乘积的比；
②由甲醇的体积分数φ（CH₃OH）与反应温度T的关系图示可知：当反应达到平衡后，升高温度，甲醇的体积分数减小，说明升高温度，化学平衡逆向移动；
③曲线Ⅱ比I先达到平衡，说明曲线Ⅱ的反应速率快，平衡时曲线Ⅱ甲醇的物质的量较小，说明平衡向逆反应进行，由于正反应为气体体积减小的反应，不能是增大压强，说明温度曲线Ⅱ＞I，由于温度高，CH₃OH含量低，说明化学平衡常数减小；
（3）①由CO₂和NH₃在一定条件下合成尿素[CO（NH₂）₂]，根据质量守恒定律书写方程式；
假设n（CO₂）=1 mol，则n（NH₃）=3mol．由于达平衡时CO₂的转化率为60%，所以反应消耗的n（CO₂）=0.6 mol，根据方程式可知反应的NH₃的物质的量，进而计算氨气的转化率；
②用硫酸溶液作电解质进行电解，CO₂在电极上可转化为甲烷，酸性条件下还有水生成；
③根据电离常数可知HCO₃^-水解强于NH₄⁺水解，故显弱碱性．

解答 解：（1）已知：①Fe₂O₃（s）+3C（s，石墨）═2Fe（s）+3CO（g）△H₁=+489.0kJ•mol^-1
②C（s，石墨）+CO₂（g）═2CO（g）△H₂=+172.5kJ•mol^-1
根据盖斯定律，①-②×3可得：Fe₂O₃（s）+3CO（g）=2Fe（s）+3CO₂（g）△H=-28.5 kJ•mol^-1，
故答案为：Fe₂O₃（s）+3CO（g）=2Fe（s）+3CO₂（g）△H=-28.5 kJ•mol^-1；
（2）①CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）的平衡常数表达式K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）•c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）•{c}^{3}（{H}_{2}）}$，
故答案为：$\frac{c（C{H}_{3}OH）•c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）•{c}^{3}（{H}_{2}）}$；
②由甲醇的体积分数φ（CH₃OH）与反应温度T的关系图示可知：当反应达到平衡后，升高温度，甲醇的体积分数减小，说明升高温度，化学平衡逆向移动，升高温度平衡向吸热反应方向移动，逆反应方向为吸热反应，所以正反应为放热反应，所以△H＜0，
故答案为：＜；
③曲线Ⅱ比I先达到平衡，说明曲线Ⅱ的反应速率快，平衡时曲线Ⅱ甲醇的物质的量较小，说明平衡向逆反应进行，由于正反应为气体体积减小的反应，不能是增大压强，说明温度曲线Ⅱ＞I，由于温度高，CH₃OH含量低，说明化学平衡常数K_Ⅰ＞K_Ⅱ，
故答案为：＞；
（3）①根据质量守恒定律，由CO₂和NH₃在一定条件下合成尿素[CO（NH₂）₂]的反应方程式为：2NH₃+CO₂$\stackrel{一定条件}{?}$CO（NH₂）₂+H₂O，
假设n（CO₂）=1 mol，则n（NH₃）=3mol，由于达平衡时CO₂的转化率为60%，所以反应消耗的n（CO₂）=0.6 mol，根据方程式可知反应的NH₃的物质的量n（NH₃）=1.2 mol，所以氨气的转化率为（1.2 mol÷3mol）×100%=40%，
故答案为：2NH₃+CO₂$\stackrel{一定条件}{?}$CO（NH₂）₂+H₂O；40%；
②用硫酸溶液作电解质进行电解，CO₂在电极上可转化为甲烷，该电极反应的方程式为：CO₂+8e^-+8H⁺=CH₄+2H₂O，
故答案为：CO₂+8e^-+8H⁺=CH₄+2H₂O；
③一水合氨的电离常数大于HCO₃^-的电离常数，可知HCO₃^-水解程度强于NH₄⁺水解程度，故NH₄HCO₃溶液呈弱碱性，
故答案为：碱性．

点评 本题考查化学平衡的计算，题目难度中等，涉及化学平衡及影响因素、热化学方程式书写、原电池、电离平衡常数等知识，是对学生综合能力的考查，明确化学平衡及其影响为解答关键，试题知识点较多、综合性较强，充分考查了学生的分析能力及化学计算能力．