Question

【题目】CO2是一种温室气体，据科学家预测，到21世纪中叶，全球气温将升高1.5～4.5 ℃，地球气温的升高会引起海平面升高，对人类的生存环境产生巨大的影响。如何合理地利用CO2是摆在科学家面前的一个重大课题。回答下列问题：

（1）工业上利用高温、高压条件，可用CO2与NH3合成尿素[CO(NH2)2]，该反应的化学方程式为___。

（2）一定条件下，不同量的CO2与不同量的NaOH充分反应放出的热量如下表所示：

	CO2的量	NaOH溶液的量	放出的热量
①	22.0 g	750 mL 1.0 mol·L－1	x kJ
②	1.0 mol	2.0 L 1.0 mol·L－1	y kJ

写出该条件下CO2与NaOH溶液反应生成NaHCO3的热化学方程式： ___________________。

（3）在一定温度和催化剂作用下，可将CO2转化为燃料CH4，反应方程式为CO2(g)＋4H2(g) CH4(g)＋2H2O(g)　ΔH。当300 ℃时，一定量的CO2和H2混合气体在容积为2 L的恒容密闭容器中发生上述反应，5 min后达到平衡，此时各物质的浓度如下表：

物质	CO2(g)	H2(g)	CH4(g)	H2O(g)
浓度/mol·L－1	0.2	0.8	a	1.6

则平衡时容器中甲烷的物质的量n(CH4)＝________。从反应开始到达到平衡时的化学反应速率v(CH4)＝__________。500 ℃时该反应的平衡常数K＝16，则该反应的ΔH__________(填“＞”“＜”)0。

（4）CO2还可用于生产甲醇，一定条件下，发生反应CO2(g)＋3H2(g) CH3OH(g)＋H2O(g)　ΔH。

①在容积为2 L的恒容密闭容器中，通入2 mol CO2和3 mol H2发生上述反应，下列说法能够表明该可逆反应达到平衡状态的是__________(填字母)。

a．消耗3 mol H2(g)时，有1 mol CH3OH(g)生成

b．转移3 mol电子时，反应的CO2为11.2 L(标准状况)

c．体系中气体的密度不变

d．水蒸气的体积分数保持不变

e．单位时间内生成H2(g)与生成H2O(g)的物质的量之比为3∶1

②用多孔石墨作电极，30% KOH溶液作电解质溶液，可设计如图甲所示的甲醇燃料电池，该电池的负极反应式为______________________________。若将该燃料电池与电解饱和食盐水的装置进行串联(如图)，当有0.12 mol 电子发生转移时，断开电源，将溶液冷却至室温，测得食盐溶液为120 mL，则此时乙装置中溶液的pH＝________(假设食盐水中有足量的NaCl，且Cl2完全逸出)。

Answer 1

【答案】CO2＋2NH3CO(NH2)2＋H2O CO2(g)＋NaOH(aq)=NaHCO3(aq)　ΔH＝－(4x－y) kJ·mol－1 1.6 mol 0.16 mol·L－1·min－1 ＜ de CH3OH－6e－＋8OH－=CO32-＋6H2O 14

【解析】

（1）CO2与NH3合成尿素，其反应方程式为CO2＋2NH3CO(NH2)2＋H2O；

答案为CO2＋2NH3CO(NH2)2＋H2O；

（2）22.0 g CO2的物质的量为＝0.5 mol，n(NaOH)＝1.0 mol·L－1×0.75 L＝0.75 mol，即n(CO2)∶n(NaOH)＝2∶3，此时的热化学方程式为2CO2(g)＋3NaOH(aq)=NaHCO3(aq)＋Na2CO3(aq)＋H2O(l)　ΔH＝－4x kJ·mol－1　Ⅰ；n(CO2)＝1.0 mol，n(NaOH)＝1.0 mol·L－1×2.0 L＝2.0 mol，即n(CO2)∶n(NaOH)＝1∶2，此时的热化学方程式为2NaOH(aq)＋CO2(g)=Na2CO3(aq)＋H2O(l)　ΔH＝－y kJ·mol－1　Ⅱ；根据盖斯定律，Ⅰ－Ⅱ可得目标热化学方程式：NaOH(aq)＋CO2(g)=NaHCO3(aq)　ΔH＝－(4x－y) kJ·mol－1；

答案为NaOH(aq)＋CO2(g)=NaHCO3(aq)　ΔH＝－(4x－y) kJ·mol－1；

（3）根据化学方程式中CH4与H2O的化学计量数的关系可计算c(CH4)＝＝0.8 mol·L－1，平衡时容器中的甲烷的物质的量n(CH4)＝0.8 mol·L－1×2 L＝1.6 mol；v(CH4)＝＝0.16 mol·L－1·min－1；300 ℃时，平衡常数K＝＝25＞16，即300 ℃时的平衡常数比500 ℃时大，由此可见升温时，平衡逆向移动，故正反应为放热反应，即ΔH＜0；

答案为1.6 mol；0.16 mol·L－1·min－1；＜；

（4）①a、消耗H2，生成CH3OH，反应方向都是向正反应方向进行，因此消耗3molH2，生成1molCH3OH，不能说明反应达到平衡，故a不符合题意；

b、反应的任何时间，都有转移3mol电子时，反应的CO2为11.2L(标况下)，不能说明反应达到平衡，故b不符合题意；

c、组分都是气体，气体总质量不变，容器为恒容，气体体积不变，因此气体密度不变，不能说明反应达到平衡，故c不符合题意；

d、根据化学平衡的定义，当水蒸气的体积分数不再改变，说明反应达到平衡，故d符合题意；

e、生成H2，反应向逆反应方向进行，生成H2O，反应向正反应方向进行，且3：1等于化学计量数之比，因此单位时间内生成H2(g)与生成H2O(g)的物质的量比为3∶1，能说明反应达到平衡，故e符合题意；

答案为de；

②负极上CH3OH被氧化生成CO2，CO2与溶液中的OH－反应生成CO32－，故负极反应式为CH3OH－6e－＋8OH－=CO32-＋6H2O；电解饱和食盐水的阴极反应式为2H2O＋2e－=2OH－＋H2↑，转移0.12 mol电子时，生成的n(NaOH)＝n(e－)＝0.12 mol，c(OH－)＝＝1 mol·L－1，c(H＋)＝＝10－14 mol·L－1，pH＝－lg10－14＝14；

答案为CH3OH－6e－＋8OH－=CO32-＋6H2O；14。