Question

12．大氣中CO₂含量的增加會(huì)加劇溫室效應(yīng)，為減少其排放，需將工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的CO₂分離出來(lái)進(jìn)行儲(chǔ)存和利用．
（1）CO₂與NH₃反應(yīng)可合成化肥尿素[化學(xué)式為CO（NH₂）₂]．已知：
①2NH₃（g）+CO₂（g）═NH₂CO₂NH₄（s）△H=-159.5KJ/mol
②NH₂CO₂NH₄（s）═CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g）△H=+116.5KJ/mol
③H₂O（l）═H₂O（g）△H=+44.0KJ/mol
寫出CO₂與NH₃合成尿素和液態(tài)水的熱化學(xué)反應(yīng)方程式2NH₃（g）+CO₂（g）=CO（NH₂）₂（s）+H₂O（l）△H=-87.0KJ/mol
（2）CO₂與H₂也可用于合成甲醇：CO₂（g）+3H₂（g）═CH₃OH（g）+H₂O（g）△H
①取五份等體積CO₂和H₂的混合氣體（物質(zhì)的量之比均相同），分別加入溫度不同、容積相同的恒容密閉容器中，發(fā)生上述反應(yīng)，反應(yīng)相同時(shí)間后，測(cè)得甲醇的體積分?jǐn)?shù)φ（CH₃OH）與反應(yīng)溫度T的關(guān)系曲線（如圖1），則上述CO₂轉(zhuǎn)化為甲醇反應(yīng)的△H＜0（填“＞”、“＜”或“=”）．

②圖2為CO₂的平衡轉(zhuǎn)化率與溫度、壓強(qiáng)的關(guān)系[其中n（H₂）：n（CO₂）=4：1]
a．計(jì)算CO₂和H₂制甲醇反應(yīng)在圖中A點(diǎn)的平衡常數(shù)Kp=$\frac{3}{14}{m}^{2}（MP）^{2}$， （p₂為m MPa）
b．圖中壓強(qiáng)p₁、p₂、p₃、p₄的大小順序?yàn)閜₁＜p₂＜p₃＜p₄
c．若溫度不變，減小反應(yīng)物投料比$\frac{n（{H}_{2}）}{n（C{O}_{2}）}$，K的值不變（填“增大”、“減小”或“不變”）．
（3）利用太陽(yáng)能和缺鐵氧化物（如Fe_0.9O）可將富集到的廉價(jià)CO₂熱解為碳和氧氣，實(shí)現(xiàn)CO₂再資源化，轉(zhuǎn)化過(guò)程如圖3所示，若用1mol缺鐵氧化物（Fe_0.9O）與足量CO₂完全反應(yīng)可以生成0.1 mol C（碳）．
（4）以$\frac{Ti{O}_{2}}{C{u}_{2}A{l}_{2}{O}_{4}}$為催化劑，可以將CO₂和CH₄直接轉(zhuǎn)化成乙酸．在不同溫度下催化劑的催化效率與乙酸的生成速率的關(guān)系見(jiàn)圖4．請(qǐng)解釋圖中250～400℃時(shí)溫度升高與乙酸的生成速率變化的關(guān)系在250-300℃過(guò)程中，催化劑是影響速率的主要因素，因此催化效率的降低，導(dǎo)致反應(yīng)速率也降低；而在300-400℃時(shí)，催化效率低且變化程度較小，但反應(yīng)速率增加較明顯，因此該過(guò)程中溫度是影響速率的主要因素，溫度越高，反應(yīng)速率越大．

Answer 1

分析 （1）依據(jù)熱化學(xué)方程式和蓋斯定律計(jì)算所需熱化學(xué)方程式；
（2）①甲醇的體積分?jǐn)?shù)φ（CH₃OH）達(dá)到最大值時(shí)反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，隨溫度升高其體積分?jǐn)?shù)減小，據(jù)此分析；
②a、列出Kp表達(dá)式，利用三段法計(jì)算平衡分壓帶入表達(dá)式計(jì)算即可；
b、在相同溫度下由于二氧化碳轉(zhuǎn)化率為p₁＜p₂＜p₃＜p₄，由C₂H₄（g）+H₂O（g）═C₂H₅OH（g）可知正反應(yīng)為氣體體積減小的反應(yīng)，根據(jù)壓強(qiáng)對(duì)平衡移動(dòng)的影響分析；
c、化學(xué)平衡常數(shù)只受溫度影響，據(jù)此分析；
（3）依據(jù)反應(yīng)物和產(chǎn)物利用直平法配平化學(xué)方程式，利用已知守恒計(jì)算得到；
（4）在250-300℃過(guò)程中，催化劑是影響速率的主要因素，因此催化效率的降低，導(dǎo)致反應(yīng)速率也降低；而在300-400℃時(shí)，催化效率低且變化程度較小，但反應(yīng)速率增加較明顯．

解答 解：（1）①2NH₃（g）+CO₂（g）═NH₂CO₂ NH₄（s）△H=-l59.5kJ•mol^-1
②NH₂CO₂NH₄（s）═CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g）△H=+116.5kJ•mol^-1
③H₂O（1）=H₂O（g）△H=+44.0kJ•mol^-1
依據(jù)蓋斯定律計(jì)算①+②-③得到：2NH₃（g）+CO₂（g）=CO（NH₂）₂（s）+H₂O（l）△H=-87.0KJ/mol；
故答案為：2NH₃（g）+CO₂（g）=CO（NH₂）₂（s）+H₂O（l）△H=-87.0KJ/mol；
（2）①甲醇的體積分?jǐn)?shù)φ（CH₃OH）達(dá)到最大值時(shí)反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，隨溫度升高其體積分?jǐn)?shù)減小，說(shuō)明平衡逆向移動(dòng)，正反應(yīng)放熱，焓變小于0，故答案為：＜；
②a、CO₂（g）+3H₂（g）═CH₃OH（g）+H₂O（g）
開始：1           4                 0                  0   
轉(zhuǎn)化：0.4       1.2              0.4                 0.4
平衡：0.6       2.8              0.4                 0.4
甲醇和水各占$\frac{0.4}{0.6+2.8+0.4+0.4}$=$\frac{1}{21}$，
二氧化碳占$\frac{0.6}{4.2}$=$\frac{3}{21}$，
氫氣占$\frac{2.8}{4.2}$=$\frac{14}{21}$，
則甲醇和水的分壓為mMPa×$\frac{1}{21}$，二氧化碳的分壓為所以Kp=mMPa×$\frac{3}{21}$，氫氣的分壓為mMP×$\frac{14}{21}$，所以CO₂和H₂制甲醇反應(yīng)在圖中A點(diǎn)的平衡常數(shù)Kp=$\frac{\frac{1}{12}mMP×\frac{1}{12}mMP}{\frac{3}{21}mMP×\frac{14}{21}mM{P}^{3}}$=$\frac{3}{14}{m}^{2}（MP）^{2}$，
故答案為：$\frac{3}{14}{m}^{2}（MP）^{2}$；
b、在相同溫度下由于二氧化碳轉(zhuǎn)化率為p₁＜p₂＜p₃＜p₄，由CO₂（g）+3H₂（g）═CH₃OH（g）+H₂O（g）可知正反應(yīng)為氣體體積減小的反應(yīng)，所以增大壓強(qiáng)，平衡正向移動(dòng)，二氧化碳的轉(zhuǎn)化率提高，因此壓強(qiáng)關(guān)系是p₁＜p₂＜p₃＜p₄，
故答案為：p₁＜p₂＜p₃＜p₄；
c、化學(xué)平衡常數(shù)和投料比無(wú)關(guān)，只受溫度影響，溫度不變化學(xué)平衡常數(shù)不變，故答案為：不變；
（3）依據(jù)圖示得到化學(xué)方程式為：Fe_0.9O+0.1CO₂=xC+$\frac{0.9}{3}$Fe₃O₄，依據(jù)碳原子守恒得到x=0.1，故答案為：0.1；
（4）在250-300℃過(guò)程中，催化劑是影響速率的主要因素，因此催化效率的降低，導(dǎo)致反應(yīng)速率也降低；而在300-400℃時(shí)，催化效率低且變化程度較小，但反應(yīng)速率增加較明顯，
故答案為：在250-300℃過(guò)程中，催化劑是影響速率的主要因素，因此催化效率的降低，導(dǎo)致反應(yīng)速率也降低；而在300-400℃時(shí)，催化效率低且變化程度較小，但反應(yīng)速率增加較明顯，因此該過(guò)程中溫度是影響速率的主要因素，溫度越高，反應(yīng)速率越大．

點(diǎn)評(píng) 本題考查了蓋斯定律的應(yīng)用、化學(xué)平衡常數(shù)的計(jì)算以及圖象分析方法，電化學(xué)原理的應(yīng)用，原子守恒，電子守恒的反應(yīng)過(guò)程分析是解題關(guān)鍵，題目難度中等．