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) △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根据8电子稳定构型,写出 CO(NH2)2的结构式_________________。
②反应Ⅰ的△H1=______________。
③在____(填“高温”或“低温”)情况下有利于反应Ⅱ的自发进行。
④一定温度下,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.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K(Ⅰ)_____K(Ⅱ)(填“ >”“<”或“=”)。
②欲提高CH3OH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2L的两个恒容密闭容器中,按如下方式加入反应物,一段时间后达到平衡。
容器 | 甲 | 乙 |
反应物起始投入量 | 1molCO2、3molH2 | a molCO2、bmolH2、cmolCH3OH(g) |
c mol H2O(g) (a、b、c 均不为零) | ||
若甲容器平衡后气体的压强为开始的 5/6,则该温度下,反应的平衡常数为__________,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_______。
【答案】 -159.47 kJ/mol 高温 BD > 增大压强或增加CO2用量或及时分离出产物 1/12 1/3<c<1
【解析】
(1)①根据8电子稳定构型, CO(NH2)2的结构式为;
②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;
③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;
④A.反应I中反应物为气体,生成物全部为固体,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,选项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,选项B正确;
C.NH3与CO2的转化率相等时,不能达到v正( NH3)=2v逆(CO2),反应没有达到平衡状态,选项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,选项D正确;
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,故答案为:>;
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倍,即=,解得x=mol,
反应的平衡常数为;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mol,所以c的物质的量为:mol<c<1mol。