Question

14．第21屆聯(lián)合國氣候大會于2015年11月30日在巴黎召開，會議的主題是減 少溫室氣體排放量．
（1）處理CO₂的方法之一是使其與氫氣反應合成甲醇．
①已知氫氣、甲醇燃燒的熱化學方程式如下：
2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（1）；△H=-283.0KJ•mol^-1
2CH₃OH（l）+3O₂（g）→2CO₂（g）+4H₂O（1）；△H=-726.0KJ•mol^-1
寫出二氧化碳與氫氣合成甲醇液體的熱化學方程式CO₂ （g）+3H₂ （g）=CH₃OH（l）+H₂O （l）△H=-61.5kJ•mol^-1．
②圖1是科學家現(xiàn)正研發(fā)的，以實現(xiàn)上述反應在常溫常下合成甲醇的裝置．寫出甲槽的電極反應式CO₂+6e^-+6H⁺═CH₃OH+H₂O．
（2）將CO₂和CH₄在一定條件下反應可制得工業(yè)合成氣：
CH₄（g）+CO₂（g）?2CO+2H₂（g）△H．在恒容密閉容器中通入n mol CH₄與，n mol CO₂，在一定條件下發(fā)生反應，測得CH₄的平衡轉化率與溫度、壓強的關系如圖2所示．
①下列能說明該反應達到平衡狀態(tài)的是ad．
a．CO₂的濃度不再發(fā)生變化
b．v_正（CH₄）=2v_逆（CO）
C．CO與H₂的物質的量比為1：l
d．容器內的氣體的平均相對分子質量不再發(fā)生變化
②據圖可知，P₁、P₂、P₃、P₄由大到小的順序為P₄＞P₃＞P₂＞P₁，理由是反應是氣體體積增大的反應，增大壓強平衡向逆反應進行，甲烷的轉化率降低
③用n和P₄列式計算X點的平衡常數(shù)K_p==$\frac{4}{9}$P₄²（用平衡分壓代替平衡濃度計算，分壓=總壓×物質的量分數(shù)）．
（3）工業(yè)上可用CO₂與NH₃合成制尿素的原料氨基甲酸銨（H₂NCOONH₄）．氨基甲酸銨    極易發(fā)生：H₂NCOONH₄+2H₂O?NH₄HCO₃+NH₃•H₂O，該反應酸性條件下更徹底．
25℃，向l L 0.1mol•L^-1的鹽酸中逐漸加入氨基甲酸銨粉末至溶液呈中性（忽略溶液體積變化），共用去0.052mol氨基甲酸銨．若此時溶液中幾乎不含碳元素，則該溶液中    c（NH₄⁺）=0.1mol/L，NH₄⁺水解平衡常數(shù)K_h=4×10^-9．

Answer 1

分析 （1）①2H₂（g）+O₂ （g）=2H₂O （l）△H=-283.0kJ•mol^-1 ①
2CH₃OH（l）+3O₂（g）→2CO₂（g）+4H₂O（l）△H=-726.0kJ•mol^-1 ②
依據蓋斯定律①×3-②得到：2CO₂ （g）+6H₂ （g）=2CH₃OH（l）+2H₂O （l）依據蓋斯定律計算焓變，進而書寫熱化學方程式；
②根據圖2，甲槽為CO₂得電子發(fā)生還原反應生成CH₃OH，據此書寫反應式；
（2）①可逆反應達到平衡狀態(tài)時，正逆反應速率相等，各物質的濃度、百分含量不變，以及由此衍生的一些量也不發(fā)生變化，據此解答．解題時要注意，選擇判斷的物理量，隨著反應的進行發(fā)生變化，當該物理量由變化到定值時，說明可逆反應到達平衡狀態(tài)；
②由圖可知，溫度一定時，甲烷的轉化率α（P₁）＞α（P₂）＞α（P₃）＞α（P₄），據此結合方程式判斷壓強對平衡移動的影響進行解答；
③反應在圖象中X點的甲烷轉化率為50%，結合化學三行計算列式計算平衡狀態(tài)物質的量，氣體壓強之比等于其物質的量之比，用平衡分壓代替平衡濃度計算，分壓=總壓×物質的量分數(shù)，平衡常數(shù)K=$\frac{{p}^{2}（{H}_{2}）{p}^{2}（CO）}{p（C{H}_{4}）{p}^{2}（C{O}_{2}）}$；
（3）根據氨基甲酸銨極易水解成碳酸銨，即反應式為NH₂COONH₄（s）+H₂O?（NH₄）₂CO₃，將氨基甲酸銨粉末逐漸加入1L0.1mol/L的鹽酸溶液中直到pH=7并且溶液中幾乎不含碳元素，所以溶液中只有H⁺、NH₄⁺、OH^-、Cl^-，根據電荷守恒計算c（NH₄⁺），根據NH₄⁺+H₂O?NH₃•H₂O+OH^-結合K=$\frac{c（N{H}_{3}•{H}_{2}O）c（{H}^{+}）}{c（N{{H}_{4}}^{+}）}$進行計算．

解答 解：（1）①2H₂（g）+O₂ （g）=2H₂O （l）△H=-283.0kJ•mol^-1 ①
2CH₃OH（l）+3O₂（g）→2CO₂（g）+4H₂O（l）△H=-726.0kJ•mol^-1 ②
依據蓋斯定律①×3-②得到：2CO₂ （g）+6H₂ （g）=2CH₃OH（l）+2H₂O （l）△H=-123kJ•mol^-1；
熱化學方程式為：CO₂ （g）+3H₂ （g）=CH₃OH（l）+H₂O （l）△H=-61.5kJ•mol^-1；
故答案為：CO₂ （g）+3H₂ （g）=CH₃OH（l）+H₂O （l）△H=-61.5kJ•mol^-1；
②根據圖2，甲槽為CO₂得電子發(fā)生還原反應生成CH₃OH，反應式為CO₂+6e^-+6H⁺═CH₃OH+H₂O，故答案為：CO₂+6e^-+6H⁺═CH₃OH+H₂O；
（2）對于CH₄（g）+CO₂（g）=2CO（g）+2H₂（g），反應是氣體體積增大的反應，
①a．平衡時反應混合物各組分的濃度不變，CO₂的濃度不再發(fā)生變化，說明到達平衡，故a正確；
b．υ_正（CH₄）=2υ_逆（CO），則υ_正（CH₄）：υ_逆（CO）=2：1，不等于化學計量數(shù)之比，未處于平衡狀態(tài)，正反應速率大于逆反應速率，平衡向正反應進行，故b錯誤；
c．CO與H₂的化學計量數(shù)為1：1，反應數(shù)值按物質的量比為1：1進行，不能說明到達平衡，故c錯誤；
d．反應混合物的總質量不變，隨反應進行，反應混合物的總的物質的量增大，平均相對分子質量減小，混合氣體的平均相對分子質量不發(fā)生變化，說明到達平衡，故d正確；
故答案為：ad；
②由圖可知，溫度一定時，甲烷的轉化率α（P₁）＞α（P₂）＞α（P₃）＞α（P₄），該反應正反應是氣體體積增大的反應，增大壓強平衡向逆反應進行，甲烷的轉化率降低，故壓強P₄＞P₃＞P₂＞P₁，故答案為：P₄＞P₃＞P₂＞P₁；反應是氣體體積增大的反應，增大壓強平衡向逆反應進行，甲烷的轉化率降低；
③在恒容密閉容器中通入n mol CH₄與，n mol CO₂，反應在圖象中X點的甲烷轉化率為50%，
              CH₄（g）+CO₂（g）?2CO+2H₂（g），
起始量（mol）   n        n        0     0
變化量（mol）   0.5n    0.5n      n    n
平衡量（mol）   0.5n    0.5n      n    n
則P（CH₄）=P（CO₂）=$\frac{0.5n}{0.5n+0.5n+n+n}$×P₄=$\frac{0.5}{3}$P₄，P（CO）=P（H₂）=$\frac{n}{3n}$P₄=$\frac{1}{3}$P₄
Kp=$\frac{{P}^{2}（CO）{P}^{2}（{H}_{2}）}{P（C{H}_{4}）P（C{O}_{2}）}$=$\frac{（\frac{1}{3}{P}_{4}）^{2}（\frac{1}{3}{P}_{4}）^{2}}{\frac{0.5}{3}{P}_{4}×\frac{0.5}{3}{P}_{4}}$=$\frac{4}{9}$P₄²，
故答案為：$\frac{4}{9}$P₄²；
（3）因為氨基甲酸銨極易水解成碳酸銨，即反應式為NH₂COONH₄（s）+H₂O?（NH₄）₂CO₃，加入1L0.1mol/L的鹽酸溶液中直到溶液pH=7并且溶液中幾乎不含碳元素，所以溶液中只有H⁺、NH₄⁺、OH^-、Cl^-，根據電荷守恒c（NH₄⁺）=c（Cl^-）=0.1mol/L，又用去0.052mol氨基甲酸銨，所以開始溶液中的銨根離子濃度為0.052mol/L×2=0.104mol/L，
          NH₄⁺+H₂O?NH₃•H₂O+H⁺；
開始  0.104mol/L          0        
轉化  0.004mol/L        0.004mol/L 
平衡   0.1mol/L         0.004mol/L   
又溶液為pH=7，所以氫離子濃度為10^-7mol/L，則NH₄⁺水解平衡常數(shù)K=$\frac{c（N{H}_{3}•{H}_{2}O）c（{H}^{+}）}{c（N{{H}_{4}}^{+}）}$=$\frac{0.004×1{0}^{-7}}{0.1}$=4×10^-9，
故答案為：0.1mol/L；4×10^-9 ；

點評 本題考查熱化學方程式書寫、化學反應速率、化學平衡常數(shù)和平衡的移動原理、弱堿根離子在溶液中的水解平衡的計算應用等知識，綜合性較大，難度中等．