题目内容
17.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(石墨)═2Fe(s)+3CO(g)△H1=+489.0kJ•mol-1
②C(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=$\frac{c(CH{\;}_{3}OH)•c(H{\;}_{2}O)}{c(CO{\;}_{2})•c{\;}^{3}(H{\;}_{2})}$.
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α(CH3OH)与反应温度T的关系如图1所示,则该反应的△H<0(填“>”、“<”或“=”,下同).
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对应的平衡常数大小关系为KⅠ>KⅡ.
(3)以CO2为原料还可以合成多种物质.
①工业上尿素[CO(NH2)2]可由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.当氨碳比$\frac{n(N{H}_{3})}{n(C{O}_{2})}$=3,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,该电极的反应式为CO2+8e-+8H+=CH4+2H2O.
分析 (1)依据热化学方程式和盖斯定律计算得到所需热化学方程式;
(2)①依据化学方程式和平衡常数概念写出平衡常数表达式;
②由图可知最高点反应到达平衡,到达平衡后,温度越高,α(CH3OH)越小,升高温度平衡向逆反应进行,据此判断;
③由图象分析先拐先平,温度高TⅡ先达到平衡则TⅡ>TⅠ,纵轴是甲醇的物质的量,温度越高,甲醇越少,平衡逆向进行分析判断;
(3)①根据反应物、反应条件、生成物写出化学反应式;利用三段式法计算;
②根据原电池原理,CO2在正极发生还原反应转化为甲烷,注意电解质溶液为酸性.
解答 解:(1)①Fe2O3(s)+3C(石墨)=2Fe(s)+3CO(g)△H1=+489.0kJ•mol-1
②C(石墨)+CO2(g)=2CO(g)△H2=+172.5kJ•mol-1
依据盖斯定律①-②×3得到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)①平衡常数等于生成物的浓度幂之积除以反应物的浓度幂之积,所以K=$\frac{c(CH{\;}_{3}OH)•c(H{\;}_{2}O)}{c(CO{\;}_{2})•c{\;}^{3}(H{\;}_{2})}$,
故答案为:$\frac{c(CH{\;}_{3}OH)•c(H{\;}_{2}O)}{c(CO{\;}_{2})•c{\;}^{3}(H{\;}_{2})}$;
②由图可知最高点反应到达平衡,达平衡后,温度越高,α(CH3OH)越小,平衡向逆反应进行,升高温度平衡吸热方向进行,逆反应为吸热反应,则正反应为放热反应,即△H<0,
故答案为:<;
③由图2可知,温度TⅠ<TⅡ,平衡时,温度越高CO的转化率越小,说明升高温度,平衡向逆反应移动,升高温度平衡向吸热反应移动,故该反应正反应为放热反应,则△H<0,升高温度,平衡向逆反应移动,所以KⅠ>KⅡ,
故答案为:>;
(3)①根据反应物是二氧化碳和氨气(NH3),反应条件是高温、高压,生成物是尿素[CO(NH2)2]和水,化学反应式为2NH3+CO2$\stackrel{一定条件}{?}$CO(NH2)2+H2O,
设CO2的初始物质的量为a,则NH3的初始物质的量为3a,
2NH3+CO2$\stackrel{一定条件}{?}$CO(NH2)2+H2O
起始/mol 3a a
转化/mol 1.2a 0.6a
平衡/mol 1.8a 0.4a
平衡时NH3转化率为:$\frac{1.2a}{3a}$×100%=40%,
故答案为:2NH3+CO2$\stackrel{一定条件}{?}$CO(NH2)2+H2O;40%;
②CO2在正极发生还原反应转化为甲烷,考虑电解质为硫酸,所以甲烷中氢来源为硫酸电离的氢离子,根据化合价变化可知1mol二氧化碳变成甲烷得到8mol电子,故电极反应为:CO2+8e-+8H+=CH4+2H2O,
故答案为:CO2+8e-+8H+=CH4+2H2O.
点评 本题考查了热化学方程式的书写、化学平衡移动、平衡常数概念理解、转化率的计算及原电池原理的分析应用等,题目涉及的知识点较多,综合性较强,难度中等.分析图象时,要考虑先拐先平衡的原则,则反应条件为温度高或压强大,写电极反应式一定要考虑介质的参与.
A. | 100g/mol | B. | 108g/mol | C. | 55g/mol | D. | 96g/mol |