Question

【题目】“一碳化学”是指以含一个碳原子的化合物(如CO2、CO、CH4、CH3OH等)为初始反应物，合成一系列重要的化工原料和燃料的化学。

（1）以CO2和NH3为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应可表示如下：

反应I：2NH3(g)+CO2(g)NH2COONH4(s) H1

反应II：NH2COONH4(s)CO(NH2)2(s)+H2O(g) H2=+72.49kJ/mol

总反应：2NH3(g)+CO2(g)CO(NH2)2(s)+H2O(g) H3=-86.98kJ/mol

请回答下列问题：

①反应I的H1=__kJ/mol。

②反应II一般在__(填“高温或“低温")条件下有利于该反应的进行。

③一定温度下，在体积固定的密闭容器中按计量比投料进行反应I，下列能说明反应达到了平衡状态的是__(填字母序号)。

A.混合气体的平均相对分子质量不再变化

B.容器内气体总压强不再变化

C.2v正(NH3)=v逆(CO2)

D.容器内混合气体的密度不再变化

（2）将CO2和H2按物质的量之比为1：3充入一定体积的密闭容器中，发生反应：CO2(g)+3H2(g)=CH3OH(g)+H2O(g) H。测得CH3OH的物质的量在不同温度下随时间的变化关系如图所示。

①根据图示判断H__0(填“>”或“<”)。

②一定温度下，在容积均为2L的两个密闭容器中，按如下方式加入反应物，10min后达到平衡。

容器	甲	乙
反应物投入量	1molCO2、3molH2	amolCO2、bmolH2 cmolCH3OH(g)、cmolH2O(g)(a、b、c均不为零)

若甲容器平衡后气体的压强为开始时的0.8倍，则反应10min内甲容器中以CH3OH(g)表示的化学反应速率为__，此温度下的化学平衡常数为__(保留两位小数)；要使平衡后乙容器与甲容器中相同组分的体积分数相等，且起始时维持化学反应向逆反应方向进行，则乙容器中c的取值范围为__。

（3）氢气可将CO2还原为甲烷，反应为CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(g)。ShyamKattel等结合实验与计算机模拟结果，研究了在Pt/SiO2催化剂表面上CO2与H2的反应历程，前三步历程如图所示其中吸附在Pt/SiO2催化剂表面用“·”标注，Ts表示过渡态。物质吸附在催化剂表面，形成过渡态的过程会__(填“放出热量”或“吸收热量”)；反应历程中最小能垒(活化能)步骤的化学方程式为__。

Answer 1

【答案】-159.47 高温 BD < 0.02mol·L-1·min-1 0.18 0.4<c<1 吸收热量 OH+H== H2O(g)

【解析】

（1）①根据盖斯定律计算反应I的H1；

②根据复合判据分析。

③根据平衡标志分析；

（2）①由图象可知，T2温度下反应速率快，所以T2>T1；升高温度，平衡时甲醇的物质的量减小；

②利用三段式计算反应速率和平衡常数；利用极值法判断c的取值范围；

（3）根据图象可知，吸附态的能量小于过渡态；活化能最小的过程是CO、OH、H+3H2(g)生成CO+3H2(g)+H2O。

（1）①反应I：2NH3(g)+CO2(g)NH2COONH4(s) H1

反应II：NH2COONH4(s)CO(NH2)2(s)+H2O(g) H2=+72.49kJ/mol

根据盖斯定律I+II得总反应：2NH3(g)+CO2(g)CO(NH2)2(s)+H2O(g) H3=-86.98kJ/mol，所以H1=-86.98kJ/mol-72.49kJ/mol=-159.47kJ/mol；

②NH2COONH4(s)CO(NH2)2(s)+H2O(g) H>0，气体物质的量增大S>0，根据复合判据，一般在高温条件下有利于该反应的进行；

③A.在体积固定的密闭容器中按计量比投料进行反应，容器中气体物质始终是NH3(g)、CO2且物质的量比等于2:1，所以混合气体的平均相对分子质量是定值，平均相对分子质量不再变化，不一定平衡，故不选A；

B.体积固定，正反应气体物质的量减小，所以压强是变量，容器内气体总压强不再变化，一定达到平衡状态，故选B；

C.反应达到平衡状态时，正逆反应的速率比等于系数比，v正(NH3)=2v逆(CO2)时达到平衡状态，2v正(NH3)=v逆(CO2)时反应没有达到平衡状态，故不选C；

D.体积固定，气体质量减小，密度是变量，若容器内混合气体的密度不再变化，一定达到平衡状态，故选D；

答案选BD；

（2）①由图象可知，T2温度下反应速率快，所以T2>T1；升高温度，平衡时甲醇的物质的量减小，即升高温度平衡逆向移动，H<0；

②设达到平衡是，CO2转化了xmol/L，根据三等式，有：

甲容器平衡后气体的压强为开始时的0.8倍，则，x=0.2；反应10min内甲容器中以CH3OH(g)表示的化学反应速率为0.02mol·L-1·min-1，此温度下的化学平衡常数为0.18；

平衡后乙容器与甲容器中相同组分的体积分数相等，说明甲乙的平衡是等效的。该反应CO2(g)+3H2(g)=CH3OH(g)+H2O(g)反应前后体积发生变化，在恒温恒容的条件下，两容器发生反应达到等效平衡，则“一边倒”后，加入的物质完全相同。若CO2和H2完全反应，则生成甲醇最大的量为1mol，达到平衡时，甲醇的物质的量为0.2mol/L×2=0.4mol，则乙容器中c的取值范围为0.4<c<1；

（3）根据图象可知，吸附态的能量小于过渡态，所以物质吸附在催化剂表面，形成过渡态的过程会吸收热量；活化能最小的过程是CO、OH、H+3H2(g)生成CO+3H2(g)+H2O，反应方程式是OH+H==H2O(g)。