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”）情况下有利于该反应的进行。

③一定温度下,在体积为固定的密闭容器中按计量比进行反应I,下列能说明反应达到了平衡状态的是__________（填序号）。

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

④环境为真空时,在一敞开容器（非密闭容器）中加入NH2COONH4固体,足够长时间后，反应是否建立平衡状态? ___________（填“是”或“否”）

（2）将CO2和H2充入一定体积的密闭容器中，在两种温度下发生反应:CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)。测得CH3OH的物质的量随时间的变化如下图。

①曲线I.II对应的平衡常数大小关系为KI_______KII（填“ >”、“<”或“=”）。

②一定温度下,在容积相同且固定的两个密闭容器中，按如下方式加入反应物，一段时间后达到平衡。

容器	甲	乙
反应物投入量	1molCO2、3molH2	amolCO2、bmolH2 cmol CH3OH(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的0.8倍,则甲容器平衡混合气体中CH3OH(g)的体积分数为_______，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,乙容器中c的取值范围为________。

（3）以TiO2/Cu2Al2O4为催化剂，可以将CO2和CH4直接转化成乙酸。在不同温度下催化剂的催化效率与乙酸的生成速率的关系如下图,乙酸的生成速率主要取决于温度影响的范围是________________。

Answer 1

【答案】 -159.47 高温 BD 否 > 12.5% 0.4<c<1 300～400℃

【解析】(1)①反应Ⅰ：2NH3(g)+CO2(g)=NH2CO2NH4(s)△H1=a kJmol-1，反应Ⅱ：NH2CO2NH4(s) =CO(NH2)2(s)+H2O(g)△H2=+72.49kJmol-1，总反应Ⅲ：2NH3(g)+CO2(g) =CO(NH2)2(s)+H2O(g)△H3=-86.98kJmol-1，由盖斯定律总反应Ⅲ-反应Ⅱ，得到2NH3(g)+CO2(g)=NH2CO2NH4(s)△H1=a=-159.47kJmol-1，故答案为：-159.47；

②反应Ⅱ：NH2CO2NH4(s) =CO(NH2)2(s)+H2O(g)△H2=+72.49kJmol-1，反应前后气体体积增大，△S＞0，焓变分析可知是吸热反应，△H＞0，所以依据反应自发进行的判断依据△H-T△S＜0，需要在高温下反应自发进行，故答案为：高温；

③A．反应I中反应物为气体，生成全部为固体，所以在反应前后，混合气体的平均相对分子质量保持不变，所以不能作为平衡状态的判断标志，故A错误；B．反应I中，气体的物质的量减小，所以反应的压强减小，所以容器内气体总压强不再变化时，说明反应处于平衡状态，故B正确；C．反应处于平衡状态时v正(NH3)=2v逆(CO2)，故C错误；D．反应I中，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，故D正确；故选BD；

④环境为真空时,在一敞开容器(非密闭容器)中加入NH2COONH4固体，发生NH2CO2NH4(s) CO(NH2)2(s)+H2O(g)，水蒸气进入环境中，浓度近似为0，无论经过多长时间，反应都不会建立平衡状态，故答案为：否；

(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，,故答案为：＞；

②设二氧化碳反应量为x

CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g)

初始量(mol)： 1 3 0 0

转化量(mol)： x 3x x x

平衡量(mol)：1-x 3-3x x x

甲中平衡后气体的压强为开始时的0.8倍，即=0.8 ，解得x=0.4mol，甲容器平衡混合气体中CH3OH(g)的体积分数=物质的量分数=×100%=12.5%；依题意：甲、乙为等同平衡，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1mol，c 的物质的量不能低于平衡时的物质的量0.4mol，所以c的物质的量为：0.4＜c＜1mol，故答案为：12.5%；0.4＜c＜1；

(3)①温度超过250℃时，催化剂的催化效率降低，在300℃时失去活性，故以后乙酸的生成速率升高是由温度升高导致的，故乙酸主要取决于温度影响的范围为300℃～400℃，故答案为：300℃～400℃。