Question

17．碳氢化合物是重要的能源物质．
（1）丙烷脱氢可得丙烯．己知：有关化学反应的能量变化如图所示．

则相同条件下，反应C₃H₈（g）→CH₃CH=CH₂（g）+H₂（g）的△H=+124.2 kJ•mol^-1．
（2）以丙烷为燃料制作新型燃料电池，电池的正极通入O₂和CO₂，负极通入丙烷，电解质是熔融碳酸盐．电池正极反应式为O₂+4e^-+2CO₂=2CO₃^2-．
（3）常温常压下，空气中的CO₂溶于水，达到平衡时，溶液的pH=5.60，c（H₂CO₃）=1.5×10^-5mol•L^-1．若忽略水的电离及H₂CO₃的第二级电离，则H₂CO₃?HCO₃^-+H⁺的平衡常数K₁=4.2×10^-7mol/L．（结果保留2位有效数字）（己知10^-5.60=2.5×10^-6）
（4）用氨气制取尿素的反应为：2NH₃（g）+CO₂（g）═CO（NH₂）₂ （l）+H₂O（g）△H＜0
某温度下，向容积为100L的密闭容器中通入4molNH₃和2molCO₂，该反应进行到40s时达到平衡，此时CO₂的转化率为50%．
①理论上生产尿素的条件是D．（填选项编号）
A．高温、高压     B．高温、低压     C．低温、低压      D．低温、高压
②下列描述能说明反应达到平衡状态的是B、D．
A．反应混合物中CO₂和H₂O的物质的量之比为1：2
B．混合气体的总质量不随时间的变化而变化
C．单位时间内消耗2a molNH₃，同时生成a molH₂O
D．保持温度和容积不变，混合气体的压强不随时间的变化而变化
③该温度下此反应平衡常数K的值为2500L²/mol²．
④图中的曲线I表示该反应在前25s内的反应进程中的NH₃浓度变化．．在0～25s内该反应的平均反应速率v（CO₂）=3×10^-4mol/（L•s）．

保持其它条件不变，只改变一种条件，图象变成II，则改变的条件可能是使用催化剂．

Answer 1

分析 （1）根据能量变化图写出热化学方程式，所求反应可由已知热效应的热化学方程式推导，根据盖斯定律计算所求反应的焓变；
（2）以丙烷为燃料制作新型燃料电池，电池的正极通入O₂和CO₂，负极通入丙烷，电解质是熔融碳酸盐，考虑到熔融的物质作为电解质，原电池正极发生的反应是物质得到电子，发生还原反应，根据电池正极通入的物质考虑，反应生成CO₃^2-，据此写出电极反应式；
（3）H₂CO₃?HCO₃^-+H⁺的平衡常数K₁=$\frac{c（{H}^{+}）c（HC{O}_{3}^{-}）}{c（{H}_{2}C{O}_{3}）}$，平衡时，溶液的pH=5.60，c（H₂CO₃）=1.5×10^-5mol/L若忽略水的电离及H₂CO₃的第二级电离，据此计算；
（4）①用氨气制取尿素的反应为：2NH₃（g）+CO₂（g）═CO（NH₂）₂ （l）+H₂O（g）△H＜0，反应为放热反应，随着反应进行，气体分子数减小，体系压强降低，所以降低温度，增大加强，均有利于化学平衡正向移动；
②反应为：2NH₃（g）+CO₂（g）═CO（NH₂）₂ （l）+H₂O（g），化学平衡是动态平衡，反应为放热反应，随着饭进行，体系压强降低，据此判断化学平衡状态的特点；
③向容积为100L的密闭容器中通入4molNH₃和2molCO₂，该反应进行到40s时达到平衡，此时CO₂的转化率为50%，据此计算体系中各气体组分的平衡浓度，代入平衡常数表达式计算；
④根据浓度变化图，0～25s内NH₃的浓度变化为（40-25）×10^-3mol/L=1.5×10^-2mol/L，根据化学反应平均速率计算公式$\overline{r}（N{H}_{3}）=\frac{△c}{△t}$计算NH₃的平均速率，由化学反应速率之比等于化学计量数之比计算CO₂的平均速率，平衡时c（NH₃）=0.02mol/L，改变条件，没有改变化学平衡，据此判断改变的条件．

解答 解：（1）根据有关的反应能量变化图，可知
①C₃H₈（g）═CH₄（g）+HC≡CH（g）+H₂（g）△H₁=+156.6kJ/mol，
②CH₃CH═CH₂（g）═CH₄（g）+HC≡CH（g）△H₂=+32.4kJ/mol，
所求反应为：C₃H₈（g）→CH₃CH=CH₂（g）+H₂（g），该反应可由①-②得到，根据盖斯定律，该反应的焓变为△H=△H₁-△H₂=156.6-32.4=+124.2kJ/mol，
故答案为：+124.2；
（2）以丙烷为燃料制作新型燃料电池，电池的正极通入O₂和CO₂，负极通入丙烷，电解质是熔融碳酸盐，考虑到熔融的物质作为电解质，原电池正极发生的反应是物质得到电子，发生还原反应，根据电池正极通入的物质考虑，反应生成CO₃^2-，则电池正极反应式为：O₂+4e^-+2CO₂=2CO₃^2-，
故答案为：O₂+4e^-+2CO₂=2CO₃^2-；
（3）H₂CO₃?HCO₃^-+H⁺的平衡常数K₁=$\frac{c（{H}^{+}）c（HC{O}_{3}^{-}）}{c（{H}_{2}C{O}_{3}）}$，平衡时，溶液的pH=5.60，略水的电离及H₂CO₃的第二级电离，c（H₂CO₃）=1.5×10^-5mol/L，则溶液中平衡时c（H⁺）=c（HCO₃^-）=10^-5.6mol/L，c（H₂CO₃）=1.5×10^-5mol/L，则反应的平常数为K₁=$\frac{1{0}^{-5.6}mol/L×1{0}^{-5.6}mol/L}{1.5×1{0}^{-5}mol/L}$=$\frac{（2.5×1{0}^{-6}mol/L）^{2}}{1.5×1{0}^{-5}mol/L}$=4.2×10^-7mol/L，
故答案为：4.2×10^-7mol/L；
（4）①用氨气制取尿素的反应为：2NH₃（g）+CO₂（g）═CO（NH₂）₂ （l）+H₂O（g）△H＜0，反应为放热反应，随着反应进行，气体分子数减小，体系压强降低，所以降低温度，增大加强，均有利于化学平衡正向移动，据此判断，理论上生产尿素的条件是：低温、高压，故选D，
故答案为：D；
②反应为：2NH₃（g）+CO₂（g）═CO（NH₂）₂ （l）+H₂O（g），化学平衡是动态平衡，反应为放热反应，随着饭进行，体系压强降低，向容积为100L的密闭容器中通入4molNH₃和2molCO₂，该反应进行到40s时达到平衡，此时CO₂的转化率为50%，
A．反应混合物中CO₂和H₂O的物质的量之比为1：2，化学平衡时，CO₂和H₂O的物质的量之比不一定为1：2，不能判断化学平衡，故A不选；
B．混合气体的总质量不随时间的变化而变化，由于反应不止是气体参加反应，因此随着反应进行，气体的总质量会发生改变，当达到化学平衡时，气体的总质量不变，可以说明化学平衡，故B选；
C．单位时间内消耗2a molNH₃，同时生成a molH₂O，化学反应达到平衡之前就是单位时间内消耗2a molNH₃，同时生成a molH₂O，不能说明化学反应达到平衡，故C不选；
D．保持温度和容积不变，混合气体的压强不随时间的变化而变化，反应过程中气体分子数发生改变，体系压强也改变，当反应达到平衡时，混合气体的压强不再改变，可以说明反应达到化学平衡，故D选；
故答案为：B、D；
③向容积为100L的密闭容器中通入4molNH₃和2molCO₂，该反应进行到40s时达到平衡，此时CO₂的转化率为50%，则反应达到平衡时，c（CO₂）=$\frac{2mol×50%}{100L}$=0.01mol/L，c（NH₃）=$\frac{4mol-2×2mol×50%}{100L}$=0.02mol/L，c（H₂O）=$\frac{2mol×50%}{100L}$=0.01mol/L，所以化学平衡常数为K=$\frac{c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）{c}^{2}（N{H}_{3}）}$=$\frac{0.01mol/L}{（0.02mol/L）^{2}×（0.01mol/L）}$=2500L²/mol²，
故答案为：2500L²/mol²；
④根据浓度变化图，0～25s内NH₃的浓度变化为（40-25）×10^-3mol/L=1.5×10^-2mol/L，根据化学反应平均速率计算公式$\overline{r}（N{H}_{3}）=\frac{△c}{△t}$=$\frac{1.5×1{0}^{-2}mol/L}{25s}$=6×10^-4mol/（L•s），由化学反应速率之比等于化学计量数之比，则v（CO₂）=$\frac{1}{2}\overline{r}（N{H}_{3}）$=3×10^-4mol/L，
衡时c（NH₃）=0.02mol/L，改变条件，没有改变化学平衡，根据图象分析，在相同时间内，II的NH₃浓度消耗得更快，可知II的化学反应速率更快，但化学平衡没有改变，所以改变的条件是使用催化剂，
故答案为：3×10^-4mol/L；使用催化剂．

点评 本题考查化学原理部分知识，包含热化学方程式的书写，盖斯定律的应用，化学平衡的移动，化学反应速率的计算，化学平衡常数的计算，催化剂对化学平衡的影响，涉及的知识点较多，均为高频考点，有效得考查综合能力，题目难度中等．