题目内容

研究表明丰富的CO2完全可以作为新碳源,解决当前应用最广泛的碳源(石油和天然气)到本世纪中
叶将枯竭的危机,同时又可缓解由CO2累积所产生的温室效应,实现CO2的良性循环.

(1)目前工业上有一种方法是用CO2和H2在230℃催化剂条件下转化生成甲醇蒸汽和水蒸气.如图1表示恒压容器中0.5mol CO2和1.5mol H2转化率达80%时的能量变化示意图.写出该反应的热化学方程式:
 
.
(2)工业上可用CO2与H2反应生成甲醇,在T℃下,将1mol CO2和2mol H2充入5L恒容密闭容器中发生反应为:CO2(g)+3H2(g)?CH3OH(g)+H2O(g),测得H2的物质的量随时间的变化情况如图2中曲线I所示.
①按曲线I计算反应从0到4min时,v(H2)=
 
.
②在T℃时,若仅改变某一外界条件时,测得H2的物质的量随时间的变化情况如图中曲线Ⅱ所示,则改变的外界条件为
 
.反应接曲线Ⅱ进行,计算达到平衡时容器中c(CO2)=
 
.
③判断该反应达到平衡的依据为
 
(填正确选项的字母)
A.混合气体的平均相对分子质量不随时间改变
B.3v(H2)正=v(CH3OH)逆
C.混合气体的压强不随时间改变
D.单位时间内生成CH3OH和H2O的物质的量相同
(3)以二氧化钛表面覆盖Cu2Al2O4为催化剂,可以将CO2和CH4直接转化成乙酸.
①在不同温度下催化剂的催化效率与乙酸的生成速率如图3所示.250~300℃时,温度升高而乙酸的生成速率降低的原因是
 
.
②将Cu2Al2O4溶解在稀硝酸中的离子方程式为
 
.
(4)Li2O、Na2O、MgO均能吸收CO2.
①如果寻找吸收CO2的其他物质,下列建议合理的是
 
.
a.可在碱性氧化物中寻找
b.可在ⅠA、ⅡA族元素形成的氧化物中寻找
c.可在具有强氧化性的物质中寻找
②Li2O吸收CO2后,产物用于合成Li4SiO4,Li4SiO4用于吸收、释放CO2.原理是:在500℃,CO2与Li4SiO4接触后生成Li2CO3:平衡后加热至700℃,反应逆向进行,放出CO2,Li4SiO4再生,说明该原理的化学方程式是
 
.
考点:化学平衡的计算,热化学方程式,化学反应速率的影响因素,化学平衡状态的判断
专题:
分析:(1)发生反应:CO2(g)+3H2(g)?CH3OH(g)+H2O(g),根据图1可知,0.5mol CO2和1.5mol H2转化率达80%时放热23kJ-3.4kJ=19.6kJ,计算1mol二氧化碳发生放出的热量确定△H,书写该反应的热化学方程式;
(2)①根据v=
△n
V
△t
计算v(H2);
②温度一定,曲线II到达平衡时的时间缩短,平衡时氢气的物质的量减小,说明改变条件增大反应速率,且平衡向正反应方向移动,由于容器为恒容条件下,应是增大二氧化碳的浓度;
I与II化学平衡常数相同,平衡常数K=
n(CH3OH)
V
×
n(H2O)
V
n(CO2)
V
×(
n(H2)
V
)3
=
n(CH3OH)?n(H2O)
n(CO2)?[n(H2)]3
×V2
,由于体积不变,利用
n(CH3OH)?n(H2O)
n(CO2)?[n(H3)]3
相等计算平衡时二氧化碳物质的量,进而计算曲线II平衡时c(CO2);
③当反应达到平衡状态时,正逆反应速率相等,各物质的浓度、百分含量不变,以及由此衍生的一些量也不发生变化,注意选择判断的物理量,应随着反应的进行发生变化,当该物理量由变化到定值时,说明可逆反应到达平衡状态;
(3)①由图可知,温度超过250℃时,催化剂的催化效率降低;
②先将Cu2Al2O4拆成氧化物的形式:Cu2O?Al2O3,再根据氧化物与酸反应生成离子方程式,注意一价铜具有还原性,与硝酸反应氧化还原反应有NO生成;
(4)①二氧化碳为酸性气体,Li2O、Na2O、MgO均能吸收CO2与氧化性无关;
②在500℃,CO2与Li4SiO4接触后生成Li2CO3,反应物为CO2与Li4SiO4,生成物有Li2CO3,根据质量守恒可知产物还有Li2SiO3.
解答: 解:(1)根据图1可知,0.5mol CO2和1.5mol H2转化率达80%时放热23kJ-3.4kJ=19.6kJ,1mol二氧化碳反应放出的热量为
1mol
0.5mol×80%
×19.6kJ=49kJ,则该反应的热化学方程式:CO2(g)+3H2(g)?CH3OH(g)+H2O(g)△H=-49kJ?mol-1,
故答案为:CO2(g)+3H2(g)?CH3OH(g)+H2O(g)△H=-49 kJ?mol-1;
(2)①由图可知,平衡时参加反应氢气为2mol-1mol=1mol,故v(H2)=
1mol
5L
4min
=0.05mol/(L?min),
故答案为:0.05mol/(L?min);
②温度一定,曲线II到达平衡时的时间缩短,平衡时氢气的物质的量减小,说明改变条件增大反应速率,且平衡向正反应方向移动,由于容器为恒容条件下,应是增大二氧化碳的浓度;
平衡常数K=
n(CH3OH)
V
×
n(H2O)
V
n(CO2)
V
×(
n(H2)
V
)3
=
n(CH3OH)?n(H2O)
n(CO2)?[n(H2)]3
×V2
,由于体积不变,利用
n(CH3OH)?n(H2O)
n(CO2)?[n(H3)]3
相等,
对应曲线I:CO2(g)+3H2(g)?CH3OH(g)+H2O(g)
开始(mol):1        2        0         0
转化(mol):
1
3
        1       
1
3
       
1
3

平衡(mol):
2
3
        1       
1
3
       
1
3

对应曲线II:CO2(g)+3H2(g)?CH3OH(g)+H2O(g)
开始(mol):2        0        0
转化(mol):2-0.5      0.5      0.5
平衡(mol):0.5      0.5      0.5
则
0.5×0.5
n(CO2)×0.53
=
1
3
×
1
3
2
3
×13
,解得n(CO2)=12,故平衡时c(CO2)=
12mol
5L
=2.4mol/L,
故答案为:增大二氧化碳的浓度;2.4mol/L;
③A.随反应进行混合气体总物质的量减小,总质量不变,故随反应进行平均相对分子质量减小,混合气体的平均相对分子质量不随时间改变,说明反应到达平衡,故A正确;
B.当v(H2)正:v(CH3OH)逆=3:1时,反应到达平衡,由3v(H2)正=v(CH3OH)逆,可得v(H2)正:v(CH3OH)逆=1:3,说明逆反应速率较大,平衡向逆反应进行,故B错误;
C.容器体积不变,随反应进行混合气体总物质的量减小,混合气体的压强减小,但混合气体压强不随时间改变,说明反应到达平衡,故C正确;
D.单位时间内生成CH3OH和H2O的物质的量相同,均表示正反应速率,反应始终按1:1进行,不能说明到达平衡,故D错误,
故答案为:AC;
(3)①温度超过250℃时,催化剂的催化效率降低,所以温度升高而乙酸的生成速率降低,
故答案为:温度超过250℃时,催化剂的催化效率降低;
②Cu2Al2O4拆成氧化物的形式:Cu2O?Al2O3,一价铜具有还原性,与硝酸反应氧化还原反应有NO生成,故与酸反应生成离子方程式:3Cu2Al2O4+32H++2NO3-=6Cu2++6Al3++2NO↑+16H2O,
故答案为:3Cu2Al2O4+32H++2NO3-=6Cu2++6Al3++2NO↑+16H2O;
(4)①a.Li2O、Na2O、MgO均属于碱性氧化物,均能吸收酸性氧化物CO2,可在碱性氧化物中寻找吸收CO2的其他物质,故a正确;
b.Li2O、Na2O、MgO均能吸收CO2,钠、镁为ⅠA、ⅡA族元素,所以可在ⅠA、ⅡA族元素形成的氧化物中寻找吸收CO2的其他物质,故b正确;
c.Li2O、Na2O、MgO均能吸收CO2,但它们都没有强氧化性,且吸收二氧化碳与氧化还原无关,故c错误;
故答案为:ab;
②在500℃,CO2与Li4SiO4接触后生成Li2CO3,反应物为CO2与Li4SiO4,生成物有Li2CO3,根据质量守恒可知产物还有Li2SiO3,所以化学方程式为:CO2+Li4SiO4Li2CO3+Li2SiO3,
故答案为:CO2+Li4SiO4Li2CO3+Li2SiO3.
点评:本题属于拼合型题目,涉及热化学方程式书写、反应速率计算、化学平衡常数应用、平衡状态判断、信息题等,侧重考查学生对知识的迁移应用,题目计算量大,对学生的心理素质有较高的要求,(2)中注意利用平衡常数计算,难度较大.
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