Question

12．发展洁净煤技术、利用CO₂制备清洁能源等都是实现减碳排放的重要途径．

（1）将煤转化成水煤气的反应：C（s）+H₂O（g）?CO（g）+H₂（g）可有效提高能源利用率，若在上述反应体系中加入催化剂（其他条件保持不变），此反应的△H不变（填“增大”、“减小”或“不变”），判断的理由是加入催化剂后反应物和生成物的总能量不变．
（2）CO₂制备甲醇：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.0kJ•mol^-1，在体积为1L的密闭容器中，充入1mol CO₂和3mol H₂，测得CO₂（g） 和CH₃OH（g） 浓度随时间变化如图1所示．
①该反应化学平衡常数K的表达式是$\frac{c（{H}_{2}O）c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）{c}^{3}（{H}_{2}）}$．
②0～9min时间内，该反应的平均反应速率ν（H₂）=0.25mol/L•min．
③在相同条件下，密闭容器的体积缩小至0.5L时，此反应达平衡时放出的热量（Q）可能是c（填字母序号）kJ．
0＜Q＜29.5      b.29.5＜Q＜36.75     c.36.75＜Q＜49     d.49＜Q＜98
④在一定条件下，体系中CO2的平衡转化率（α）与L和 X的关系如图2所示，L和X 分别表示温度或压强．
X表示的物理量是． 判断L₁与L₂飞大小关系．
（3）科学家用氮化镓材料与铜组装如图3的人工光合系统，利用该装置成功地实现了以CO₂和H₂O合成CH₄．
写出铜电极表面的电极反应式，为提高该人工光合系统的工作效率，可向装置中加入少量硫酸（选填“盐酸”或“硫酸”）．
（4）利用CO₂和NH₃为原料也合成尿素，在合成塔中的主要反应可表示如下：
反应①：2NH₃（g）+CO₂（g）=NH₂CO₂NH₄（s）△H₁=-159.47KJ/mol
反应②：NH₂CO₂NH₄（s）=CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g）△H₂=+72.49kJ•mol^-1
总反应：2NH₃（g）+CO₂（g）=CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g）△H=-86.98kJ•mol^-1；
则反应①的△H₁=-159.47KJ/mol．
（5）现将amol铁和bmol铜的混合物与含有cmolHNO₃的稀溶液充分反应，设还原产物为NO．下列结论不正确的是BC（填序号）
A．若剩余金属0.5amol，则氧化产物为一种或二种
B．若只有一种氧化产物，则3c=8a
C．若有二种氧化产物，被还原的硝酸物质的量为0.25cmol
D．若有三种氧化产物，被还原的硝酸物质的量为0.25cmol．

Answer 1

分析 （1）催化剂改变反应速率不改变化学平衡；
（2）①平衡常数K=$\frac{生成物平衡浓度幂次方乘积}{反应物平衡浓度幂次方乘积}$；
②图象读取甲醇生成浓度，结合反应速率概念计算甲醇的反应速率，依据反应速率之比等于化学方程式计量数之比得到氢气反应速率；
③反应焓变是指1mol二氧化碳和3mol氢气完全反应放出的热量为49KJ，反应是可逆反应，在体积为1L的密闭容器中，充入1molCO₂和3molH₂，反应放热一定小于49KJ，结合图象中二氧化碳转化率计算此时达到平衡放出的热量，在相同条件下，密闭容器的体积缩小至0.5L时，压强增大，平衡正向进行，反应放出热量会增多；
④反应是气体体积减小的放热反应，升温平衡逆向进行，增大压强平衡正向进行，据此分析图象确定表示的物理量；
（3）根据题意知，该反应是可逆反应，反应物是硫化氢，根据图象知，生成物中含有S元素的物质是氢气的一半，则生成物是S₂和H₂，再结合反应条件书写方程式；（5）①由电池装置图可知，Cu上二氧化碳得电子生成甲烷；
②根据酸的挥发性分析；
（4）反应Ⅰ的热化学方程式可以依据反应Ⅱ、Ⅲ热化学方程式计算得到，同时得到反应的焓变；
（5）还原性Fe＞Cu，则稀硝酸不足时铁优先反应生成硝酸亚铁：3Fe+8HNO₃=3Fe（NO₃）₂+2NO↑+4H₂O，若硝酸有剩余，则铜参与反应：3Cu+8HNO₃=3Cu（NO₃）₂+2NO↑+4H₂O，若硝酸足量，则亚铁离子被氧化生成铁离子，发生总反应为：Fe+4HNO₃=Fe（NO₃）₃+NO↑+2H₂O，据此对各选项进行判断．

解答 解：（1）将煤转化成水煤气的反应：C（s）+H₂O?CO₂（g）+H₂（g）可有效提高能源利用率，若在上述反应体系中加入催化剂（其他条件保持不变），催化剂改变反应速率不改变化学平衡，不改变反应焓变，此反应的△H不变，加入催化剂后反应物和生成物的总能量不变
故答案为：不变；加入催化剂后反应物和生成物的总能量不变；
（2）①CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g），反应的平衡常数表达式为：K=$\frac{c（{H}_{2}O）c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）{c}^{3}（{H}_{2}）}$，
故答案为：$\frac{c（{H}_{2}O）c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）{c}^{3}（{H}_{2}）}$；
②图象读取甲醇生成浓度，结合反应速率概念计算甲醇的反应速率=$\frac{0.75mol/L}{9min}$，反应速率之比等于化学方程式计量数之比，V（H₂）=3V（CH₃OH（g）=3×$\frac{0.75mol/L}{9min}$=0.25mol/L•min，
故答案为：0.25mol/L•min；
③CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.0kJ•mol^-1，反应达到平衡状态消耗二氧化碳物质的量浓度=1mol/L-0.25mol/L=0.75mol/L，物质的量为0.75mol，反应放出热量=49KJ/mol×0.75mol=36.75KJ，反应焓变是指1mol二氧化碳和3mol氢气完全反应放出的热量为49KJ，反应是可逆反应，在体积为1L的密闭容器中，充入1molCO₂和3molH₂，反应放热一定小于49KJ，在相同条件下，密闭容器的体积缩小至0.5L时，压强增大，平衡正向进行，反应放出热量会增多，大于36.75KJ，则36.75＜Q＜49，
故答案为：c；
④CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.0kJ•mol^-1，反应是气体体积减小的放热反应，
i．温度升高，平衡逆向进行，二氧化碳转化率减小，所以X为温度，L为压强，
故答案为：温度；
ii．温度一定压强增大平衡正向进行二氧化碳转化率增大，所以L₁＞L₂，
故答案为：L₁＞L₂；
（3）由电池装置图可知，Cu上二氧化碳得电子生成甲烷，则Cu电极上的电极反应为：CO₂+8e^-+8H⁺=CH₄+2H₂O，可向装置中加入少量的酸作电解质，由于盐酸易挥发，生成的甲烷中会混有HCl气体，所以选用硫酸，不用盐酸
故答案为：CO₂+8e^-+8H⁺=CH₄+2H₂O；硫酸；
（4）反应Ⅰ：2NH₃（g）+CO₂（g）?NH₂COONH₄（s）△H₁=akJ•mol^-1
反应Ⅱ：NH₂COONH₄（s）?CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g）△H₂=+72.49kJ•mol^-1
总反应Ⅲ：2NH₃（g）+CO₂（g）?CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g）△H₃=-86.98kJ•mol^-1
依据盖斯定律计算反应Ⅰ+反应Ⅱ得到：2NH₃（g）+CO₂（g）?CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g）△H₃=akJ•mol^-1+72.49kJ•mol^-1=-86.98kJ•mol^-1
a=-159.47akJ•mol^-1，
故答案为：-159.47KJ/mol；
（5）A．若剩余金属0.5a mol，该金属可能为铁或铜，若为铁，则溶质为硝酸亚铁，若为铜，则氧化产物可能为硝酸亚铁和硝酸铜，故A正确；
B．若只有一种氧化产物，说明铁过量，铜没有参与反应，反应后溶质为硝酸亚铁，但是amol铁不一定完全反应，无法确定a与c的关系，故B错误；
C．若只有二种氧化产物，氧化产物可能为硝酸亚铁和硝酸铜或硝酸铜和硝酸铁，硝酸可能过量，稀硝酸不一定完全反应，则无法计算被还原的硝酸的量，故C错误；
D．若有三种氧化产物，氧化产物为硝酸铜、硝酸铁和硝酸亚铁，说明硝酸完全反应，根据反应3Cu+8HNO₃=3Cu（NO₃）₂+2NO↑+4H₂O、3Fe+8HNO₃=3Fe（NO₃）₂+2NO↑+4H₂O、Fe+4HNO₃=Fe（NO₃）₃+NO↑+2H₂O可知，被还原的硝酸的物质的量为cmol×$\frac{1}{4}$=0.25cmol，故D正确；
故答案为：BC．

点评 本题考查了原电池原理、方程式的书写、化学平衡常数、平衡移动等，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．