Question

【題目】以二氧化碳為原料制備尿素工藝被廣泛研究。其反應機理為：

反應Ⅰ：CO2(g)+2NH3(g)NH2COONH4(l) H1=－117.2 kJ·mol1

反應Ⅱ：NH2COONH4(l)NH2CONH2(l)+H2O(l) H2= +15.0 kJ·mol1

（1）反應Ⅰ平衡常數K的表達式為_____________。

（2）由CO2(g)和NH3(g)合成尿素NH2CONH2(l)的熱化學方程式是__________。

（3）在恒容容器中按物質的量之比1∶2通入CO2和NH3，下列不能說明合成尿素反應達平衡狀態的是_________。

A.容器中氣體平均相對分子質量不再變化

B.容器中氣體密度不再變化

C.NH3的體積分數不再變化

D.容器內壓強不再變化

（4）通過實驗發現，其他條件不變時，改變NH3、CO2的物質的量之比可增加尿素的產率，如圖為與尿素產率的關系曲線。通過曲線可知：______________過量對尿素產率的影響比較小。若在固定容器中按等于3.0通入CO2和NH3，則合成尿素反應達平衡后，混合氣體中CO2的物質的量分數為________（精確到0.1%）。

（5）探究發現，溫度、壓強、n(H2O)條件對合成尿素反應的影響如圖1、圖2，根據圖像回答下列問題：

①其他條件不變時，對于合成尿素的反應，若通入CO2物質的量一定，按三種投料比[分別為 3.0、3.5、4.0]投料時，得到如圖1的橫軸對CO2的平衡轉化率的影響曲線。曲線A對應的投料比是________。

②圖2中a、b、c、d 四條曲線中的兩條代表壓強分別為20 MPa、25 MPa時CO2平衡轉化率曲線，其中表示20MPa的是_________（填字母）。在實際生產中采用圖2中M點而不是N點對應的反應條件，運用化學反應速率和平衡知識，同時考慮生產實際，說明選擇該反應條件的主要原因是________。

Answer 1

【答案】K= CO2(g)+2NH3(g)NH2CONH2(l)+H2O(l) ΔH=－102.2 kJ·mol1 AC CO2 18.2% 4.0 a 與300 ℃相比，200 ℃時CO2的平衡轉化率更高；雖然壓強越大、溫度越高反應速率越快，但200 ℃、20 MPa條件下，對設備要求低，有利于降低成本

【解析】

（1）反應中有固體或純液體參加，則它們的濃度不應寫在平衡常數的表達式中，NH2COONH4(l)是純液體，則反應Ⅰ的平衡常數表達式為K=；答案為：K=；

（2）根據蓋斯定律，反應Ⅰ+反應Ⅱ得：CO2(g)+2NH3(g)NH2CONH2(l) +H2O(l) ΔH= H1+H2=－117.2 kJ·mol1+(+15.0 kJ·mol1)=－102.2 kJ·mol1。答案為：CO2(g)+2NH3(g)NH2CONH2(l) +H2O(l) ΔH=－102.2 kJ·mol1；

（3）A．由于該混合氣體反應前后均是CO2和NH3，且體積分數之比恒為1∶2，故容器中氣體平均相對分子質量恒定不變，不能說明反應達到平衡；A項錯誤；

B．容器中氣體密度等于氣體質量除以容器體積，由于氣體總質量在減少，故氣體密度不再變化時，反應達到平衡；B項正確；

C．整個反應過程NH3的體積分數恒定為，故不能說明達到平衡；C項錯誤；

D．壓強與氣體總物質的量相關，由于氣體總物質的量在變化，故容器內壓強不變時，說明反應達到平衡。D項正確；

答案為A、C。

（4）根據曲線可知，CO2過量，尿素產率由42%增加至45%，而NH3過量，尿素產率由42%增加至接近90%，故CO2過量對尿素產率的影響比較小。根據圖像知，=3時，尿素產率為60%，可轉化為CO2轉化率為60%，再利用三段式求解。

設反應中CO2投入了amol，NH3投入了3amol，則有：

CO2 (g) + 2NH3(g)NH2CONH2(l) + H2O(l)

則混合氣體中CO2的物質的量分數為，答案為：18.2%；

（5）①當一定時，比值越大，即NH3越多，CO2span>轉化率越大，故A曲線代表比值為4.0。答案為：4.0；

②由于合成尿素反應CO2(g)+2NH3(g)NH2CONH2(l)+H2O(l) ΔH=－102.2 kJ·mol1是一個放熱反應，因此溫度升高，平衡逆向移動，CO2的平衡轉化率降低，從曲線a，b中選擇。當溫度一定，壓強增大，平衡正向移動，CO2的平衡轉化率增大，故20 MPa條件下的曲線為a。M點條件為200 ℃，20MPa；N點條件為300 ℃，25 MPa。與300℃相比，200℃時CO2的平衡轉化率更高；雖然壓強越大、溫度越高反應速率越快，但200℃、20MPa條件下，對設備要求低，有利于降低成本。答案為：a；與300℃相比，200℃時CO2的平衡轉化率更高；雖然壓強越大、溫度越高反應速率越快，但200℃、20MPa條件下，對設備要求低，有利于降低成本。