Question

【題目】工業(yè)上常利用CO2為初始反應(yīng)物，合成一系列重要的化工原料。

（1）以CO2和NH3為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應(yīng)可表示如下：

反應(yīng)Ⅰ：2NH3（g）＋CO2（g）=NH2COONH4（s）ΔH1

反應(yīng)Ⅱ：NH2COONH4（s）=CO（NH2）2（s）＋H2O（g）　ΔH2＝＋72.49 kJ·mol－1

總反應(yīng)：2NH3（g）＋CO2（g）=CO（NH2）2（s）＋H2O（g）　ΔH3＝－86.98 kJ·mol－1

請(qǐng)回答下列問(wèn)題：

①反應(yīng)Ⅰ的ΔH1＝______________。

②在________（填“高溫”或“低溫”）情況下有利于反應(yīng)Ⅱ的自發(fā)進(jìn)行。

③一定溫度下，在體積固定的密閉容器中按n（NH3）∶n（CO2）＝2∶1 進(jìn)行反應(yīng)Ⅰ。下列能說(shuō)明反應(yīng)Ⅰ達(dá)到了平衡狀態(tài)的是____________（填字母代號(hào)）。

A 混合氣體的平均相對(duì)分子質(zhì)量不再變化

B 容器內(nèi)氣體總壓強(qiáng)不再變化

C NH3與CO2的轉(zhuǎn)化率相等

D 容器內(nèi)混合氣體的密度不再變化

（2）將CO2和H2按質(zhì)量比25∶3充入一定體積的密閉容器中，在不同溫度下發(fā)生反應(yīng)CO2（g）＋3H2（g）=CH3OH（g）＋H2O（g）。測(cè)得CH3OH（g）的物質(zhì)的量隨時(shí)間的變化如下圖所示。

①曲線Ⅰ、Ⅱ?qū)��?yīng)的平衡常數(shù)大小關(guān)系為K（Ⅰ）______（填“>”“<”或“＝”）K（Ⅱ）。

②欲提高CH3OH（g）的平衡產(chǎn)率，可采取的措施除改變溫度外，還有__________（任寫(xiě)兩種）。

③一定溫度下，在容積均為2 L的兩個(gè)恒容密閉容器中，按如下方式加入反應(yīng)物，一段時(shí)間后反應(yīng)達(dá)到平衡。

容器	甲	乙
反應(yīng)物起 始投入量	1 mol CO2、 3 mol H2	a mol CO2 b mol H2 c mol CH3OH（g） c mol H2O（g） （a，b，c均不為0）

若甲容器中反應(yīng)達(dá)平衡后氣體的壓強(qiáng)為開(kāi)始時(shí)的，則該溫度下，反應(yīng)的平衡常數(shù)為______；要使反應(yīng)達(dá)平衡后乙容器與甲容器中相同組分的體積分?jǐn)?shù)相等，且起始時(shí)維持化學(xué)反應(yīng)向逆反應(yīng)方向進(jìn)行，則乙容器中c的取值范圍為_______________。

Answer 1

【答案】－159.47 kJ·mol－1 高溫 BD > 增大壓強(qiáng)或增加CO2用量或及時(shí)分離出產(chǎn)物（任寫(xiě)兩種） <c<1

【解析】

（1）①根據(jù)蓋斯定律進(jìn)行分析計(jì)算；

②反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行的判斷依據(jù)是△H-T△S＜0；

③可逆反應(yīng)2NH3（g）+CO2（g）NH2COONH4（s）為氣體體積縮小的反應(yīng)，該反應(yīng)達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)時(shí)，正逆反應(yīng)速率相等，各物質(zhì)的濃度、百分含量不再發(fā)生變化，由此衍生的一些物理量不發(fā)生變化，以此進(jìn)行判斷；

（2）①圖象分析可知先拐先平溫度高，溫度越高甲醇物質(zhì)的量越小，結(jié)合平衡常數(shù)K= 分析；

②欲提高CH3OH的平衡產(chǎn)率，可采取的措施除改變溫度外，其他措施保證平衡正向進(jìn)行分析判斷；

③結(jié)合平衡時(shí)三段式計(jì)算求出甲中平衡時(shí)各氣體的物質(zhì)的量，平衡常數(shù)K=，然后根據(jù)平衡后乙與甲中相同組分的體積分?jǐn)?shù)相等，且起始時(shí)維持反應(yīng)逆向進(jìn)行來(lái)判斷范圍。

（1）①根據(jù)蓋斯定律，由總反應(yīng)－反應(yīng)Ⅱ可得反應(yīng)Ⅰ為2NH3（g）＋CO2（g）=NH2COONH4（s）ΔH1＝－159.47 kJ·mol－1；

②反應(yīng)Ⅱ的正反應(yīng)是氣體體積增大的反應(yīng)，ΔS＞0，由焓變分析可知其是吸熱反應(yīng)，ΔH＞0，所以依據(jù)反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行的判斷依據(jù)ΔH－TΔS＜0可知，在高溫情況下有利于反應(yīng)的自發(fā)進(jìn)行；

③A.反應(yīng)Ⅰ中反應(yīng)物全部為氣體，生成物為固體，且反應(yīng)按反應(yīng)物的系數(shù)比投料，所以在反應(yīng)前后，混合氣體的平均相對(duì)分子質(zhì)量始終保持不變，其不能作為平衡狀態(tài)的判斷標(biāo)志，A項(xiàng)錯(cuò)誤；

B.恒溫恒容條件下，反應(yīng)Ⅰ未達(dá)平衡前，氣體的物質(zhì)的量減小，所以容器內(nèi)氣體總壓強(qiáng)減小，所以當(dāng)容器內(nèi)氣體總壓強(qiáng)不再變化時(shí)，說(shuō)明反應(yīng)處于平衡狀態(tài)，B項(xiàng)正確；

C.NH3與CO2的轉(zhuǎn)化率始終相等，不能說(shuō)明反應(yīng)Ⅰ達(dá)到了平衡狀態(tài)，C項(xiàng)錯(cuò)誤；

D.反應(yīng)Ⅰ未達(dá)平衡前，容器體積不變，氣體質(zhì)量減小，所以當(dāng)容器內(nèi)混合氣體的密度不再變化時(shí)，說(shuō)明反應(yīng)處于平衡狀態(tài)，D項(xiàng)正確；

故答案選BD；

（2）①Ⅱ平衡時(shí)間小于Ⅰ，說(shuō)明Ⅱ反應(yīng)速率大于Ⅰ，且平衡時(shí)Ⅱ中CH3OH的物質(zhì)的量小于Ⅰ，說(shuō)明平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，則只能是升高溫度，即Ⅱ的溫度大于Ⅰ，溫度越高，平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，導(dǎo)致化學(xué)平衡常數(shù)越小，所以KⅠ＞KⅡ；

②欲提高CH3OH的平衡產(chǎn)率，則使平衡正向移動(dòng)，可采取的措施除改變溫度外，還有增大壓強(qiáng)或增加CO2用量或及時(shí)分離出產(chǎn)物；

③設(shè)二氧化碳的反應(yīng)量為x，根據(jù)“三段式”法進(jìn)行計(jì)算：

甲中平衡后氣體的壓強(qiáng)為開(kāi)始時(shí)的倍，即＝，解得x＝mol，反應(yīng)的平衡常數(shù)為＝；依題意可知甲、乙為等效平衡，且起始時(shí)維持反應(yīng)逆向進(jìn)行，所以全部由生成物投料，c的物質(zhì)的量為1 mol，c的物質(zhì)的量不能低于平衡時(shí)的物質(zhì)的量mol，所以c的物質(zhì)的量為＜c＜1。