Question

【題目】大氣中CO2含量的增加會加劇溫室效應，為減少其排放，需將工業生產中產生的CO2分離出來進行儲存和利用。

（1）CO2與NH3反應可合成化肥尿素[化學式為CO(NH2)2]，反應2NH3(g)＋CO2(g)CO(NH2)2(l)＋H2O(g)在合成塔中進行。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[]投料時二氧化碳轉化率的情況。

①曲線Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ水碳比的數值范圍分別為0.6～0.7、1～1.1和1.5～1.61，則生產中應選用水碳比的數值范圍為_________________。

②請推測生產中氨碳比控制在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，該反應在不同溫度、不同投料比時，CO2的平衡轉化率如圖2所示。

①該反應的化學平衡常數的表達式為_______________________。

②該反應的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反應合成CH3OH(g)的熱化學方程式為___________________。

④700K投料比[]=2時，H2的平衡轉化率為______________。

Answer 1

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

【解析】

（1）①依據反應轉化率的大小分析，結合圖象分析判斷；

②氨碳比在4.5時氨氣量增大對二氧化碳的轉化率增加不大；

（2）①根據平衡常數等于生成物的濃度冪之積除以反應物的濃度冪之積進行書寫；

②根據反應前后氣體的物質的量大小判斷△S；

③根據蓋斯定律進行計算；

④由圖可知，在700K，投料比[]=2時，二氧化碳轉化率為30%，令CO2、H2的起始物質的量分別為1mol、2mol，轉化的二氧化碳為0.3mol，根據方程式可知轉化的氫氣為0.9mol，進而計算H2 的轉化率；

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

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

（2）①反應CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)的化學平衡常數的表達式為K=；

②該反應正反應方向是氣體分子數減少的方向，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

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

④由圖像可知，700K投料比[)] = 2時，二氧化碳的轉化率為30%。假設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的平衡轉化率為=45%。