Question

【題目】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]，反應(yīng)2NH3(g)＋CO2(g)CO(NH2)2(l)＋H2O(g)在合成塔中進(jìn)行。如圖1中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三條曲線為合成塔中按不同氨碳比[]和水碳比[]投料時(shí)二氧化碳轉(zhuǎn)化率的情況。

①曲線Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ水碳比的數(shù)值范圍分別為0.6～0.7、1～1.1和1.5～1.61，則生產(chǎn)中應(yīng)選用水碳比的數(shù)值范圍為_________________。

②請(qǐng)推測(cè)生產(chǎn)中氨碳比控制在4.0左右還是控制在4.5左右比較適宜，并簡(jiǎn)述你的理由__________________。

（2）CO2與H2也可用于合成甲醇：CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)。在體積可變的恒壓密閉容器中，該反應(yīng)在不同溫度、不同投料比時(shí)，CO2的平衡轉(zhuǎn)化率如圖2所示。

①該反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)的表達(dá)式為_______________________。

②該反應(yīng)的ΔS___0

③已知： ① CO(g)+2H2(g) CH3OH(g) ΔH= -90.1 kJ·mol-1 ②CO(g) +H2O(g) CO2(g)+H2(g) ΔH= -41.1 kJ·mol-1,則CO2與H2反應(yīng)合成CH3OH(g)的熱化學(xué)方程式為___________________。

④700K投料比[]=2時(shí)，H2的平衡轉(zhuǎn)化率為______________。

Answer 1

【答案】0.6～0.7 4.0比較適宜；氨碳比在4.5時(shí)，NH3的量增大較多，而CO2轉(zhuǎn)化率增加不大，提高了生產(chǎn)成本 K= < CO2(g)+ 3H2 (g)= CH3OH(g) ΔH=-49kJ/mol 45%

【解析】

（1）①依據(jù)反應(yīng)轉(zhuǎn)化率的大小分析，結(jié)合圖象分析判斷；

②氨碳比在4.5時(shí)氨氣量增大對(duì)二氧化碳的轉(zhuǎn)化率增加不大；

（2）①根據(jù)平衡常數(shù)等于生成物的濃度冪之積除以反應(yīng)物的濃度冪之積進(jìn)行書寫；

②根據(jù)反應(yīng)前后氣體的物質(zhì)的量大小判斷△S；

③根據(jù)蓋斯定律進(jìn)行計(jì)算；

④由圖可知，在700K，投料比[]=2時(shí)，二氧化碳轉(zhuǎn)化率為30%，令CO2、H2的起始物質(zhì)的量分別為1mol、2mol，轉(zhuǎn)化的二氧化碳為0.3mol，根據(jù)方程式可知轉(zhuǎn)化的氫氣為0.9mol，進(jìn)而計(jì)算H2 的轉(zhuǎn)化率；

（1）①由圖像可知，在相同條件下，水碳比越小，二氧化碳的轉(zhuǎn)化率越高，所以生產(chǎn)中應(yīng)選用水碳比的數(shù)值范圍為0.6～0.7；

②氨碳比在4.0左右時(shí)，二氧化碳的轉(zhuǎn)化率與4.5時(shí)相差不大，所以生產(chǎn)中氨碳比控制在4.0左右比較適宜。氨碳比在4.5時(shí)，NH3的量增大較多，而CO2轉(zhuǎn)化率增加不大，提高了生產(chǎn)成本；

（2）①反應(yīng)CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)的化學(xué)平衡常數(shù)的表達(dá)式為K=；

②該反應(yīng)正反應(yīng)方向是氣體分子數(shù)減少的方向，所以S ＜0；

③已知： ① CO(g)+2H2(g) CH3OH(g) ΔH= -90.1 kJ·mol-1

②CO(g) +H2O(g) CO2(g)+H2(g) ΔH= -41.1 kJ·mol-1

根據(jù)蓋斯定律，由①-②得反應(yīng)CO2(g)+ 3H2 (g)= CH3OH(g) ΔH= -90.1 kJ·mol-1-（-41.1 kJ·mol-1）=-49kJ/mol，則CO2與H2反應(yīng)合成CH3OH(g)的熱化學(xué)方程式為CO2(g)+ 3H2 (g)= CH3OH(g) ΔH=-49kJ/mol；

④由圖像可知，700K投料比[)] = 2時(shí)，二氧化碳的轉(zhuǎn)化率為30%。假設(shè)氫氣和二氧化碳的起始投料分別為2mol和1mol，則二氧化碳的變化量為1mol×30%=0.3mol，由反應(yīng)方程式CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g)求出氫氣的變化量為0.3mol×3=0.9mol，所以H2的平衡轉(zhuǎn)化率為=45%。