题目内容
【题目】工业上常利用CO2为初始反应物,合成一系列重要的化工原料。
(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)ΔH1
反应Ⅱ:NH2COONH4(s)=CO(NH2)2(s)+H2O(g) ΔH2=+72.49 kJ·mol-1
总反应:2NH3(g)+CO2(g)=CO(NH2)2(s)+H2O(g) ΔH3=-86.98 kJ·mol-1
请回答下列问题:
①反应Ⅰ的ΔH1=______________。
②在________(填“高温”或“低温”)情况下有利于反应Ⅱ的自发进行。
③一定温度下,在体积固定的密闭容器中按n(NH3)∶n(CO2)=2∶1 进行反应Ⅰ。下列能说明反应Ⅰ达到了平衡状态的是____________(填字母代号)。
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 NH3与CO2的转化率相等
D 容器内混合气体的密度不再变化
(2)将CO2和H2按质量比25∶3充入一定体积的密闭容器中,在不同温度下发生反应CO2(g)+3H2(g)=CH3OH(g)+H2O(g)。测得CH3OH(g)的物质的量随时间的变化如下图所示。
①曲线Ⅰ、Ⅱ对应的平衡常数大小关系为K(Ⅰ)______(填“>”“<”或“=”)K(Ⅱ)。
②欲提高CH3OH(g)的平衡产率,可采取的措施除改变温度外,还有__________(任写两种)。
③一定温度下,在容积均为2 L的两个恒容密闭容器中,按如下方式加入反应物,一段时间后反应达到平衡。
容器 | 甲 | 乙 |
反应物起 始投入量 | 1 mol CO2、 3 mol H2 | a mol CO2 b mol H2 c mol CH3OH(g) c mol H2O(g) (a,b,c均不为0) |
若甲容器中反应达平衡后气体的压强为开始时的,则该温度下,反应的平衡常数为______;要使反应达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_______________。
【答案】-159.47 kJ·mol-1 高温 BD > 增大压强或增加CO2用量或及时分离出产物(任写两种)
<c<1
【解析】
(1)①根据盖斯定律进行分析计算;
②反应自发进行的判断依据是△H-T△S<0;
③可逆反应2NH3(g)+CO2(g)NH2COONH4(s)为气体体积缩小的反应,该反应达到化学平衡状态时,正逆反应速率相等,各物质的浓度、百分含量不再发生变化,由此衍生的一些物理量不发生变化,以此进行判断;
(2)①图象分析可知先拐先平温度高,温度越高甲醇物质的量越小,结合平衡常数K= 分析;
②欲提高CH3OH的平衡产率,可采取的措施除改变温度外,其他措施保证平衡正向进行分析判断;
③结合平衡时三段式计算求出甲中平衡时各气体的物质的量,平衡常数K=,然后根据平衡后乙与甲中相同组分的体积分数相等,且起始时维持反应逆向进行来判断范围。
(1)①根据盖斯定律,由总反应-反应Ⅱ可得反应Ⅰ为2NH3(g)+CO2(g)=NH2COONH4(s)ΔH1=-159.47 kJ·mol-1;
②反应Ⅱ的正反应是气体体积增大的反应,ΔS>0,由焓变分析可知其是吸热反应,ΔH>0,所以依据反应自发进行的判断依据ΔH-TΔS<0可知,在高温情况下有利于反应的自发进行;
③A.反应Ⅰ中反应物全部为气体,生成物为固体,且反应按反应物的系数比投料,所以在反应前后,混合气体的平均相对分子质量始终保持不变,其不能作为平衡状态的判断标志,A项错误;
B.恒温恒容条件下,反应Ⅰ未达平衡前,气体的物质的量减小,所以容器内气体总压强减小,所以当容器内气体总压强不再变化时,说明反应处于平衡状态,B项正确;
C.NH3与CO2的转化率始终相等,不能说明反应Ⅰ达到了平衡状态,C项错误;
D.反应Ⅰ未达平衡前,容器体积不变,气体质量减小,所以当容器内混合气体的密度不再变化时,说明反应处于平衡状态,D项正确;
故答案选BD;
(2)①Ⅱ平衡时间小于Ⅰ,说明Ⅱ反应速率大于Ⅰ,且平衡时Ⅱ中CH3OH的物质的量小于Ⅰ,说明平衡向逆反应方向移动,则只能是升高温度,即Ⅱ的温度大于Ⅰ,温度越高,平衡向逆反应方向移动,导致化学平衡常数越小,所以KⅠ>KⅡ;
②欲提高CH3OH的平衡产率,则使平衡正向移动,可采取的措施除改变温度外,还有增大压强或增加CO2用量或及时分离出产物;
③设二氧化碳的反应量为x,根据“三段式”法进行计算:
甲中平衡后气体的压强为开始时的倍,即
=
,解得x=
mol,反应的平衡常数为
=
;依题意可知甲、乙为等效平衡,且起始时维持反应逆向进行,所以全部由生成物投料,c的物质的量为1 mol,c的物质的量不能低于平衡时的物质的量
mol,所以c的物质的量为
<c<1。
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【题目】某同学在用稀硫酸与过量的锌制取氢气的实验中,发现加入少量硫酸铜溶液可加快氢气的生成速率。请回答下列问题:
(1)硫酸铜溶液可以加快氢气生成速率的原因是___________________;并用简单的装置图来表明你所阐述的理由______________________________;
(2)要加快上述实验中气体产生的速率,还可采取的措施有_______________;
(3)下列物质的加入能减慢氢气生成速率但不影响生成氢气的体积的是_____
A.加入碳酸钠溶液 B.加入硫酸钠溶液
C.加入硝酸钠溶液 D.加入醋酸钠溶液
(4)为了进一步研究硫酸铜的量对氢气生成速率的影响,该同学设计了如下一系列实验。将表中所给的混合溶液分别加入到 6 个盛有过量 Zn 粒的反应瓶中,收集产生的气体,记录获得相同体积的气体所需时间。
混合溶液实验 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
4mol·mol-1H2SO4/mL | 40 | V1 | V2 | V3 | V4 | V5 |
饱和 CuSO4 溶液/mL | 0 | 0.5 | 2.5 | 5 | V6 | 20 |
H2O/mL | V7 | V8 | V9 | V10 | 10 | 0 |
①请完成此实验设计,其中:V6、V8 分别是_____________;
②该同学最后得出的结论为:当加入少量 CuSO4 溶液时,生成氢气的速率会大大提高,随着加入的 CuSO4 溶液增多时,生成氢气的速率会______(填加快、减慢或不变)。理由___________________。