Question

研究CO₂的综合利用对促进“低碳经济”的发展有重要意义。

(1)工业上以CO₂、NH₃为原料生产尿素[CO(NH₂)₂]，反应实际为两步进行：

I：2NH₃(g)+CO₂(g)H₂NCOONH₄(s)            △H₁=-272kJ·mol^-1

II：H₂NCOONH₄(s)CO(NH₂)₂(s)+H₂O(g)    △H₂=+138kJ·mol^-1

已知：H₂O(l)==H₂O(g)    △H₃=+44kJ·mol^-1

①请写出以NH₃、CO₂为原料，合成尿素和液态水的热化学方程式______________。

②T₁℃时，在1L的密闭容器中充入CO₂和NH₃模拟工业生产，n(NH₃)/n(CO₂)=x，如图是CO₂平衡转化率()与x的关系。求图中A点NH₃的平衡转化率=________％。

③当x=1.0时，若起始的压强为p₀kPa，水为液态，平衡时压强变为起始的1/2。则该反应的平衡常数K_p=_______(kPa)^-3(K_P为以分压表示的平衡常数)。

(2)用CO₂和H₂合成甲醇：3H₂(g)+CO₂(g)CH₃OH(g)+H₂O(g)△H=－49.0kJ·mol^-1。在T℃时，甲、乙、丙三个2L的恒容密闭容器中，按不同方式投入反应物，测得平衡时有关数据如下：

①甲容器10s达到平衡时测得x=39.2，则甲中CO₂的平均反应速率____________。

②下列说法正确的是________(填字母编号)。

A．2c₁<c₃         B．z<2y            C．p₃>2p₂        D．α₁+α₃>1

(3)用NaOH溶液做碳捕捉剂可获得化工产品Na₂CO₃。常温下若某次捕捉后得到pH=10的溶液，则溶液中c(CO₃^2-)：c(HCO₃^-)=_____[K₁(H₂CO₃)=4.4×10^-7、K₂(H₂CO₃)=5×10^-11]，溶液中c(Na⁺)_____c(HCO₃^-)+2c(CO₃^2-)(填“>”“=”或“＜”)。

Answer

2NH3(g)＋CO2(g)⇌H2O(l)＋CO(NH2)2(s) ΔH=－178 kJ•mol-1 33.3 Kp=108/p03 0.04 mol•L-1•s-1 AB 1︰2或0.5 >

【解析】

本题研究CO2的综合利用对促进“低碳经济”的发展有重要意义，实际以CO2的性质为载体考查了化学反应原理的综合知识，难度适中。

(1) ①NH3、CO2为原料，合成尿素和液态水的热化学方程式为2NH3(g)+CO2(g) CO(NH2)2(s)+H2O(l) △H，根据盖斯定律可知△H=△H1+△H2-△H3=－178 kJ•mol-1，因而有2NH3(g)＋CO2(g)⇌H2O(l)＋CO(NH2)2(s) ΔH=－178 kJ•mol-1；

②A点时，n(NH3)/n(CO2)=3.0，设n(CO2)=1mol，n(NH3)=3mol，CO2平衡转化率为0.50，则转化的CO2的量为1mol×0.50=0.5mol，那么根据2NH3(g)+CO2(g) CO(NH2)2(s)+H2O(l)可知转化的NH3为0.5mol×2=1mol，NH3的平衡转化率=1mol/3mol×100％=33.3％；

③当x=1.0时，设n(NH3)=n(CO2)=1mol，根据三段式可知：

2NH3(g)+CO2(g) CO(NH2)2(s)+H2O(l)

起 1 1

转 2x x

平 1-2x 1-x

又若起始的压强为p0kPa，水为液态，平衡时压强变为起始的1/2，可知=，解得x=mol，则n平(NH3)=mol，n平(CO2)=mol，那么p平(NH3)=×= kPa，p平(CO2)= ×=kPa，因而Kp==(kPa)-3；

(2)①根据3H2(g)+CO2(g)CH3OH(g)+H2O(g)△H=－49.0kJ·mol-1，可知消耗的CO2的量为1mol×=0.8mol，v(CO2)==0.04mol·L-1·s-1；

②A.已知甲和乙为全等等效平衡，平衡时c1=c2，乙和丙的投料比相等，若处于恒压时，c2=c3*，c3*为恒压时丙中甲醇浓度，此时，丙是乙体积的两倍，但题目要求恒容，因而可将丙压缩一半体积，瞬间浓度为2c3*，由于压缩体积相当于加压，根据气体计量数可知，平衡向右移动，则甲醇浓度变大，因而c3>2c3*，综合上述分析可知c3>2c1，A正确；

B.乙和丙的投料比相等，假设在恒压时，c2=c3*，c3*为恒压时丙中甲醇浓度，由于丙是乙体积的两倍，丙中甲醇的消耗量是乙的两倍，可推出吸收的热量关系为z*=2y（注意乙和丙为逆反应，为吸热反应），z*为恒压时丙中热量变化，但题目要求恒容，因而可将丙压缩一半体积，由于压缩体积相当于加压，根据气体计量数可知，平衡向右移动，则甲醇的量变多，即吸收的热量减少，即z< z*，故z<2y，B正确；

C.根据B中分析可知平衡时，丙中甲醇的消耗量是小于乙中甲醇的消耗量的两倍，由于恒温恒容时压强之比等于物质的量之比，因而可推知丙中气体压强是小于乙中气体的两倍，即p3<2p2，C错误；

D.已知甲和乙为全等等效平衡，平衡时c1=c2，甲中α1=2c1/1=2c1，乙中α2=(1-2c2)/1=1-2c2，因而α1+α2=2c1+1-2c2=1，根据C可知平衡时，丙中甲醇的消耗量是小于乙中甲醇的消耗量的两倍，因而α3小于α2，所以α1+α3<1，D错误。

故答案选AB。

(3) pH=10，c(H+)=10-10mol/L，又K2(H2CO3)=，因而c(CO32-)：c(HCO3-)= K2(H2CO3)/c(H+)=1︰2，溶液中电荷守恒关系式为c(Na+)+ c(H+)=c(HCO3-)+2c(CO32-)+ c(OH-)，又溶液pH=10，则c(OH-)> c(H+)，所以c(Na+)>c(HCO3-)+2c(CO32-)。