Question

10．高效利用CO₂是“低碳经济”的有效途径，现有以下两种利用CO₂的方法．
请回答有关问题．
方法一：以CO₂为原料合成甲醇，其反应为：
CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.58kJ•mol^-1
若将6molCO₂和8molH₂充入一容积为2L的密闭容器中（保持温度不变），测得H₂的物质的量随时间变化如图所示（图中字母后的数字表示对应的坐标）．回答下列问题：
（1）该反应在0～8min内CO₂的平均反应速率为0.125mol/（L．min）
（2）此温度下该反应的平衡常数K为0.5
（3）仅改变某一条件再实验，测得n（H₂）的变化如图虚线所示．如曲线Ⅱ的改变条件可能是BD（填序号）
A．升高温度    B．增大压强C．催化剂      D．充入CO₂
方法二：用氨水捕捉烟气中的CO₂生成铵盐
（4）写出氨水捕捉烟气中的CO₂生成碳酸氢铵的化学方程式NH₃+CO₂+H₂O=NH₄HCO₃该铵盐溶液中阴离子浓度大小关系为c（HCO₃^-）＞c（OH^-）＞c（CO₃^2-）（电离常：NH₃•H₂OK=1.8×10^-5  H₂CO₃  K₁=4.4×10^-7、K₂=4.7×10^-11）
（5）在实验过程中可能有中间产物氨基甲酸铵（NH₂COONH₄）生成，氨基甲酸铵在一定温度下发生分解反应：NH₂COONH₄（s）?2NH₃（g）+CO₂（g），若该反应平衡时总压强为3aPa，保持温度不变，将反应容器的体积扩大一倍，达新平衡时，p（NH₃）0.2a Pa．

Answer 1

分析 （1）由图可知，8min时△n（H₂）=8mol-2mol=6mol，根据v=$\frac{△c}{△t}$计算v（H₂），再利用速率之比等于化学计量数之比计算v（CO₂）；
（2）由图中数据可知，8min时反应到达平衡，平衡时氢气物质的量为2mol，则：
            CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
起始量（mol）：6        8        0          0 
变化量（mol）：2        6        2          2
平衡量（mol）：4        2        2          2
计算各组分平衡浓度，代入平衡常数表达式K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）×c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）×{c}^{2}（{H}_{2}）}$计算；
（3）曲线Ⅱ与实线相比，到达平衡时间缩短，反应速率加快，且平衡时氢气的物质的量减小，说明改变条件平衡正向移动；
（4）由题目信息可知：氨气与二氧化碳、水反应生成碳酸氢铵；由电离平衡常数可知，碳酸氢根的水解程度大于电离程度，氢氧根离子源于碳酸氢根水解、水的电离；
（5）保持温度不变，平衡常数不变，平衡常数K=c²（NH₃）．c（CO₂），而平衡体系中氨气与二氧化碳物质的量之比为2：1，平衡时二者浓度也是2：1，则将反应容器的体积扩大一倍，达新平衡时相同物质的浓度不变，故总压强不变，压强之比等于物质的量之比．

解答 解：（1）由图可知，8min时△n（H₂）=8mol-2mol=6mol，v（H₂）=$\frac{\frac{6mol}{2L}}{8min}$=0.375mol/（L．min），速率之比等于化学计量数之比，则v（CO₂）=$\frac{1}{3}$v（H₂）=0.125mol/（L．min），
故答案为：0.125mol/（L．min）；
（2）由图中数据可知，8min时反应到达平衡，平衡时氢气物质的量为2mol，则：
           CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
起始量（mol）：6       8         0         0
变化量（mol）：2       6         2         2
平衡量（mol）：4       2         2         2
平衡常数K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）×c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）×{c}^{2}（{H}_{2}）}$=$\frac{\frac{2}{2}×\frac{2}{2}}{\frac{4}{2}×（\frac{2}{2}）^{3}}$=0.5，
故答案为：0.5；
（3）曲线Ⅱ与实线相比，到达平衡时间缩短，反应速率加快，且平衡时氢气的物质的量减小，说明改变条件平衡正向移动；
A．升高温度反应速率加快，正反应为放热反应，平衡逆向移动，平衡时氢气的物质的量增大，故A不符合；
B．增大压强反应速率加快，正反应为气体体积减小的反应，平衡正向移动，平衡时氢气的物质的量减小，故B符合；
C．使用催化剂加快反应速率，不影响平衡移动，故C错误；
D．充入CO₂加快反应速率，平衡正向移动，平衡时氢气的物质的量减小，故D符合；
故选：BD；
（4）由题目信息可知：氨气与二氧化碳、水反应生成碳酸氢铵，反应方程式为：NH₃+CO₂+H₂O=NH₄HCO₃；由电离平衡常数可知，碳酸氢根的水解程度大于电离程度，氢氧根离子源于碳酸氢根水解、水的电离，溶液中阴离子浓度：c（HCO₃^-）＞c（OH^-）＞c（CO₃^2-），
故答案为：NH₃+CO₂+H₂O=NH₄HCO₃；c（HCO₃^-）＞c（OH^-）＞c（CO₃^2-）；
（5）保持温度不变，平衡常数不变，平衡常数K=c²（NH₃）．c（CO₂），而平衡体系中氨气与二氧化碳物质的量之比为2：1，平衡时二者浓度也是2：1，则将反应容器的体积扩大一倍，达新平衡时相同物质的浓度不变，故总压强不变，压强之比等于物质的量之比，故平衡时p（NH₃）=0.3a Pa×$\frac{2}{3}$=0.2a Pa，
故答案为：0.2a Pa．

点评 本题考查化学平衡计算与影响因素、反应速率计算、平衡常数等，（5）中利用压强平衡常数更容易理解，难度中等．