Question

6．CO₂是一种温室气体，据科学家预测，到21世纪中叶，全球气温将升高1.5-4.5℃，地球气温的升高会引起海平面升高，对人类的生存环境产生巨大的影响．如何合理地利用CO₂是摆在科学家面前的一个重大课题．回答下列问题：
（1）工业上利用高温、高压条件，可用CO₂与NH₃合成尿素[CO（NH₂）₂]，该反应的化学方程式为CO₂+NH₃ $\frac{\underline{\;高温高压\;}}{\;}$CO（NH₂）₂+H₂O．
（2）一定条件下，不同量的CO₂与不同量的NaOH充分反应放出的热景如下表所示：

	CO2的量	NaOH溶液的量	放出的热量
①	22.0g	750mL1.0mol•L-1	xkJ
②	1.0mol	2.0mL1.0mol•L-1	ykJ

写出该条件下CO₂与NaOH溶液反应生成NaHCO₃的热化学反应方程式NaOH（aq）+CO₂（g）═NaHCO₃（aq）△H=-（4x-y）KJ/mol．
（3）在一定温度和催化剂作用下，可将CO₂转化为燃料CH₄，反应方程式为CO₂（g）+4H₂（g）?CH₄（g）+2H₂O（g）△H． 300℃时，一定量的CO₂和H₂混合气体在容积为2L的恒容密闭容
器中发生上述反应，5min后达到平衡，此时各物质的浓度如下表：

物质	CO2（g）	H2（g）	CH4（g）	H2O（g）
浓度/mol•L-1	0.2	0.8	a	1.6

则平衡时容器中的甲烷的物质的量再（CH．）=1.6mol．从反应开始到达到平衡时的反应速率v（CH₄）=0.16mol/（L•min）．500℃时该反应的平衡常数K=16，则该反应韵△H＜（填“＞”或“＜”）0．
（4）CO₂还可用于生产甲醇，一定条件下，发生反应CO₂ （g）+3H（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H．①在容积为2L的恒容密闭容器中，通入2molCO₂和3mol H₂发生上述反应，下铡碳法能够表明该可逆反应达到平衡状态的是de（填字母）．
a．消耗3mol H₂（g）时，有lmol CH₃OH（g）生成
b．转移3mol电子时，反应的CO₂为11.2L（标准状况）
c．体系中气体的密度不变
d．水蒸气的体积分数保持不变
e．单位时间内生成H₂（g）与生成H₂O（g）的物质的量之比为3：1
②用多孔石墨作电极，30% KOH溶液作电解质溶液，可设计如图甲所示的甲醇燃料电池，该电池的负极反应式为CH₃OH-6e^-+8OH^-═CO₃^2-+6H₂O．若将该燃料电池与电解饱和食盐水的装置进行串联（如图），当有0.12mol电子发生转移时，断开电源，将溶液冷却至室温，测得食盐溶液为120mL，则此时乙装置中溶液的pH=14假设食盐水中有足量的NaCl，且Cl₂完全逸出）．

Answer 1

分析 （1）工业上利用高温、高压条件，可用CO₂与NH₃合成尿素[CO（NH₂）₂]，该反应的化学方程式为：
CO₂+NH₃ $\frac{\underline{\;高温高压\;}}{\;}$CO（NH₂）₂+H₂O；
（2）根据题意可知，22gCO₂通入1mol•L^-1NaOH溶液750mL中充分反应，测得反应放出xkJ的热量，写出热化学反应方程式，再利用1mol CO₂通入2mol•L^-1NaOH溶液2L中充分反应放出y kJ的热量写出热化学反应方程式，最后利用盖斯定律来书写CO₂与NaOH溶液反应生成NaHCO₃的热化学方程式；
（3）根据生成物水的浓度可得甲烷的浓度，则n（CH₄）=c（CH₄）×V，v（CH₄）=$\frac{△c（CH4）}{△t}$，再根据化学平衡常数概念计算300℃时的K，根据温度对化学平衡的影响与500℃时该反应的平衡常数K比较可得反应的△H；
（4）①根据化学平衡状态时正逆反应速率相等，各组分含量保持不变分析；
②甲醇的电极为负极，甲醇失电子，甲醇燃烧生成 CO₂，CO₂在氢氧化钾溶液中以KCO₃形式存在，因此负极电极式为CH₃OH-6e^-+8OH^-═CO₃^2-+6H₂O；根据转移的电子数计算乙装置中氢离子浓度，可得pH．

解答 解：（1）工业上利用高温、高压条件，可用CO₂与NH₃合成尿素[CO（NH₂）₂]，该反应的化学方程式为：CO₂+NH₃ $\frac{\underline{\;高温高压\;}}{\;}$CO（NH₂）₂+H₂O；
故答案为：CO₂+NH₃ $\frac{\underline{\;高温高压\;}}{\;}$CO（NH₂）₂+H₂O；
（2）根据题意，22gCO₂通入1mol•L^-1NaOH溶液750mL中充分反应，n（CO₂）=22g÷44g/mol=0.5mol，n（NaOH）=1mol•L^-1×0.75L=0.75mol，该反应既生成碳酸钠又生成碳酸氢钠，方程式为2CO₂+3NaOH═NaHCO₃+Na₂CO₃+H₂O，由0.5molCO₂反应放出热量为xKJ，则2molCO₂反应放出热量为4xKJ，即热化学反应方程式为①2CO₂（g）+3NaOH（aq）═NaHCO₃ （aq）+Na₂CO₃（aq）+H₂O（l）△H=-4xKJ/mol，又1mol CO₂通入2mol•L^-1NaOH溶液2L中充分反应放出y kJ的热量，则热化学方程式为②2NaOH（aq）+CO₂（g）═Na₂CO₃（aq）+H₂O（l）△H=-yKJ/mol，由盖斯定律可知，①-②可得，NaOH（aq）+CO₂（g）═NaHCO₃（aq）△H=-（4x-y）KJ/mol；
故答案为：NaOH（aq）+CO₂（g）═NaHCO₃（aq）△H=-（4x-y）KJ/mol；
（3）由表可知，300℃时，c（H₂O）=1.6mol/L，则c（CH₄）=$\frac{1}{2}$c（H₂O）=0.8mol/L，n（CH₄）=0.8mol/L×2L=1.6mol；v（CH₄）=$\frac{0.8mol/L}{5min}$=0.16mol/（L•min）；300℃时该反应的化学平衡常数K=$\frac{1．{6}^{2}×0.8}{0.2×0．{8}^{4}}$=25，500℃时该反应的平衡常数K=16，说明温度升高，平衡逆向移动，说明反应是个放热反应，△H＜0；
故答案为：1.6mol；0.16mol/（L•min）；＜；
（4）①反应CO₂ （g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）：
a．无论反应进行到何种时候，都有消耗3mol H₂（g）时有lmol CH₃OH（g）生成，故a错误；
b．任何时刻转移3mol电子时，反应的CO_2均为11.2L（标准状况），故b错误；
c．混合气体的总质量不变，恒容容器混合气体的体积不变，则体系中气体的密度一直不变，故c错误；
d．随着反应的进行，水蒸气的体积分数增大，平衡时，保持不变，故d正确；
e．单位时间内生成H₂（g）与生成H₂O（g）的物质的量之比为3：1，说明正你反应速率相等，反应平衡，故e正确；
故答案为：de；
②甲醇的电极为负极，甲醇失电子，甲醇燃烧生成 CO₂，CO₂在氢氧化钾溶液中以KCO₃形式存在，因此负极电极式为CH₃OH-6e^-+8OH^-═CO₃^2-+6H₂O；乙装置中阴极的反应为2H₂O+2e^-=H₂↑+2OH^-，0.12mol电子发生转移，则生成的氢氧根离子也为0.12mol，c（OH^-）=$\frac{0.12mol}{0.12L}$=1mol/L，故c（H⁺）=$\frac{Kw}{c（O{H}^{-}）}$=$\frac{1{0}^{-14}}{1}$=10^-14，则pH=-lgc（H⁺）=14；
故答案为：CH₃OH-6e^-+8OH^-═CO₃^2-+6H₂O；14．

点评 本题考查热化学方程式的书写和计算，化学平衡状态的判断及有关计算、电化学的电极反应式及计算，题目难度不大，是高考常见题型，注意掌握基础、电化学中计算根据电子守恒的计算方法．