Question

6．碳及其化合物广泛存在于自然界．请回答下列问题：
（1）以CO₂与NH₃为原料可合成尿素[CO（NH₂）₂]．已知：
①2NH₃（g）+CO₂（g）═NH₂COONH₄（s）△H=-159.47KJ•mol^-1
②NH₂COONH₄（s）═CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g）△H=+116.49KJ•mol^-1
③H₂O（l）═H₂O（g）△H=+88.0KJ•mol^-1
写出NH₃和CO₂合成尿素和液态水的热化学方程式2NH₃（g）+CO₂=CO（NH₂）（s）+H₂O（l）△H=-130.98kJ/mol．
（2）海洋是地球上碳元素的最大“吸收池”．
①溶于海水中的CO₂主要以四种无机碳形式存在，即：CO₂、H₂CO₃、HCO₃^-、CO₃^2-．
②在海洋碳循环中，可通过图1所示的途径固碳．写出钙化作用的离子方程式Ca²⁺+2HCO₃^-=CaCO₃↓+CO₂↑+H₂O．

（3）常温常压下，空气中的CO₂溶于水中达到平衡时，其转化关系如下：
①CO₂+H₂O?H₂CO₃   K=1.8×10^-3
②H₂CO₃?H⁺+HCO₃^-   K_a1=4.3×10^-7，
③HCO₃^-?H⁺+CO₃^2-    K_a2=5.6×10^-11，
通常情况下，海水的pH约为8，若忽略水的电离及H₂CO₃的第二级电离，则溶液中c（CO₂）=1.3×10^-7mol/L mol/L．（保留两位有效数字）
（4）为了测量某湖水中无机碳含量，量取100mL湖水，酸化后用 N₂吹出CO₂，再用NaOH溶液吸收．用1.0mol/L盐酸滴定吸收液，生成的V（CO₂）随V（盐酸） 变化关系如图2所示，则吸收液中离子浓度由大到小的顺序为c（Na⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）＞c（H⁺），湖水中无机碳的浓度为0.2mol/L．
（5）用CO₂和天然气可以制备CO和H₂，CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g）．密闭容器中浓度均为0.1mol/L的CH₄与CO₂，在一定条件下反应，测得CH₄的平衡转化率与温度及压强的关系如图3所示，则压强P₁＜P₂（填“＞”或“＜”）．若P₂=3MPa，则T°C时该反应的平衡常数 K_p=4MPa²
（用平衡分压代替平衡浓度计算，分压=总压×物质的量分数）．

Answer 1

分析 （1）依据热化学方程式和盖斯定律计算①+②-③得到CO₂与NH₃合成尿素和液态水的热化学反应方程式；
（2）①二氧化碳溶于水生成碳酸，碳酸为弱酸，部分电离生成碳酸氢根；
②由图可知：此过程碳酸氢根转化生成碳酸钙，据此书写方程式；
（3）①CO₂+H₂O?H₂CO₃ K=1.8×10^-3
②H₂CO₃?H⁺+HCO₃^- K_a1=4.3×10^-7，
K₁=$\frac{c（{H}_{2}C{O}_{3}）}{c（C{O}_{2}）}$=1.8×10^-3，
K₂=$\frac{c（{H}^{+}）c（HC{{O}_{3}}^{-}）}{c（{H}_{2}C{O}_{3}）}$=4.3×10^-7，
K₁×K₂=$\frac{{c}^{2}（{H}^{+}）}{c（C{O}_{2}）}$=1.8×10^-3×4.3×10^-7，
计算得到c（CO₂）；
（4）为了测量某湖水中无机碳含量，量取100mL湖水，酸化后用 N₂吹出CO₂，再用NaOH溶液吸收，图象分析可知，生成碳酸钠和碳酸氢钠溶液，碳酸钠和碳酸氢钠物质的量之比为1：1，生成二氧化碳气体消耗盐酸体积20ml，依据原理NaHCO₃+HCl=NaCl+CO₂↑+H₂O解答即可；
（5）该反应正向为体积增大的方向，压强越大，CH₄的转化率越小；压强为P₂时，在Y点反应未达到平衡，则反应正向移动；根据转化率计算平衡时各物质的平衡浓度，利用生成物平衡浓度幂次方乘积除以反应物平衡浓度幂次方乘积得到平衡常数；

解答 解：（1）①2NH₃（g）+CO₂（g）→NH₂CO₂ NH₄（s）-l59.47kJ•mol^-1
②NH₂CO₂NH₄（s）→CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g）+116.49kJ•mol^-1
③H₂O（l）→H₂O（g）+88.0kJ•mol^-1
依据热化学方程式和盖斯定律计算①+②-③得到CO₂与NH₃合成尿素和液态水的热化学反应方程式为：2NH₃（g）+CO₂（g）=CO（NH₂）₂（s）+H₂O（l）△H=-130.98KJ/mol；
故答案为：2NH₃（g）+CO₂（g）=CO（NH₂）₂（s）+H₂O（l）△H=-130.98KJ/mol；
（2）①二氧化碳溶于水生成的碳酸为弱酸，部分电离生成碳酸氢根，有关方程式为：CO₂+H₂O?H₂CO₃，H₂CO₃?H⁺+HCO₃^-，溶于海水中的CO₂主要以四种无机碳形式存在，即：CO₂、H₂CO₃、HCO₃^-、CO₃^2-，
故答案为：HCO₃^-、CO₃^2-；
②反应物中含有碳酸氢根，生成物为碳酸钙，依据元素守恒以及电荷守恒得出方程式为：
2HCO₃^-+Ca²⁺=CaCO₃↓+CO₂↑+H₂O，
故答案为：2HCO₃^-+Ca²⁺=CaCO₃↓+CO₂↑+H₂O；
（3）①CO₂+H₂O?H₂CO₃ K=1.8×10^-3
②H₂CO₃?H⁺+HCO₃^- K_a1=4.3×10^-7，
K₁=$\frac{c（{H}_{2}C{O}_{3}）}{c（C{O}_{2}）}$=1.8×10^-3，
K₂=$\frac{c（{H}^{+}）c（HC{{O}_{3}}^{-}）}{c（{H}_{2}C{O}_{3}）}$=4.3×10^-7，
K₁×K₂=$\frac{{c}^{2}（{H}^{+}）}{c（C{O}_{2}）}$=1.8×10^-3×4.3×10^-7，
c（CO₂）=$\frac{（1{0}^{-8}）^{2}}{1.8×1{0}^{-3}×4.3×1{0}^{-7}}$=1.3×10^-7mol/L，
故答案为：1.3×10^-7mol/L；
（4）为了测量某湖水中无机碳含量，量取100mL湖水，酸化后用 N₂吹出CO₂，再用NaOH溶液吸收，图象分析可知，生成碳酸氢钠溶液和碳酸钠溶液，二者物质的量之比为1：1，溶液中离子浓度大小为：c（Na⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）＞c（H⁺），Na₂CO₃+HCl=NaHCO₃+NaCl，生成二氧化碳气体消耗盐酸体积20ml，此反应原理为：NaHCO₃+HCl=NaCl+CO₂↑+H₂O，即碳酸氢钠与盐酸的物质的量之比为1：1，那么海水中碳酸氢钠的浓度为c，体积均为100mL，则c=$\frac{0.02L×1mol/L}{0.1L}$=0.2mol/L，
故答案为：c（Na⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）＞c（H⁺）；0.2；
（5）该反应正向为体积增大的方向，压强越大，CH₄的转化率越小，已知相同温度下，P₁条件下的转化率大于P₂，则P₁小于P₂，压强为P₂时，在Y点反应未达到平衡，则反应正向移动，所以v（正）大于v（逆）；
在Y点对应温度下的甲烷的平衡转化率为50%，则
                       CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g）
起始（mol/L） 0.1              0.1            0               0
转化（mol/L）0.05             0.05           0.1           0.1
平衡（mol/L）0.05            0.05           0.1             0.1
所以平衡常数Kp=$\frac{（3×\frac{0.1}{0.3}）^{2}（3×\frac{0.1}{0.3}）^{2}}{（3×\frac{0.05}{0.3}）×（3×\frac{0.05}{0.3}）}$=4；
故答案为：＜；4．

点评 本题考查了化学平衡常数的计算、盖斯定律的应用、平衡的移动、离子浓度大小比较等，题目涉及的知识点较多，侧重于考查学生对基础知识的综合应用能力，题目难度中等．