Question

合成氨然后再生產尿素是最重要的化工生產。

I．在3個2 L的密閉容器中，在相同的溫度下、使用相同的催化劑分別進行反應：

3H₂(g) + N₂(g)2NH₃(g)，按不同方式投入反應物，保持恒溫、恒容，測得反應達到平衡時有關數據如下：

容器	甲	乙	丙
反應物投入量	3 mol H2、2 mol N2	6 mol H2、4mol N2	2 mol NH3
達到平衡的時間/min		5	8
平衡時N2的濃度/mol·L－1	c1	1.5
NH3的體積分數	ω1		ω3
混合氣體密度/g·L－1	ρ1	ρ2

 

（1）容器乙中反應從開始到達平衡的反應速率為v(H₂)=___________。

（2）在該溫度下甲容器中反應的平衡常數K=                             (用含c₁的代數式表示)。

（3）分析上表數據，下列關系正確的是________（填序號）：

a．2c₁ > 1.5         b．2ρ₁ = ρ₂       c．ω₃ = ω₁ 

II．工業上用氨氣合成尿素（H₂NCONH₂）的反應在進行時分為如下兩步：

第一步：2NH₃(l)＋CO₂(g) H₂NCOONH₄ (l)  (氨基甲酸銨)   △H1

第二步：H₂NCOONH₄(l)H₂O(l)＋H₂NCONH₂(l)               △H2   

（4）某實驗小組模擬工業上合成尿素的條件，在一體積為0.5 L密閉容器中投入4 mol氨和1mol二氧化碳，實驗測得反應中各組分隨時間的變化如左下圖I所示：

①已知總反應的快慢由慢的一步決定，則合成尿素總反應的快慢由第     步反應決定。

②第二步反應的平衡常數K隨溫度T的變化如右上圖II所示，則△H2             0；③若第一步反應升溫時氨氣濃度增大，請在圖II中畫出第一步反應K₁隨溫度T變化曲線，并作出必要的標注。

（5）氨和尿素溶液都可以吸收硝工業尾氣中的NO、NO₂，將其轉化為N₂。

①尿素與NO、NO₂三者等物質的量反應為：CO(NH₂)₂+NO+NO₂ =CO₂+2N₂+2H₂O

該反應中的氧化劑為                    （寫化學式）。

②已知：N₂(g)+O₂(g)= 2NO(g)    △H =a kJ·mol^－1

N₂(g)+3H₂(g)= 2NH₃(g)  △H₂=bkJ· kJ·mol^－1

2H₂(g)+O₂(g)= 2H₂O(g)  △H = c kJ·mol^－1

則4NH₃(g) +4NO(g) +O₂(g)= 4N₂(g)+6H₂O(g) △H=              。

③尿素燃料電池結構如下圖所示。其工作時負極電極反應式可表示為                       。

 

 

Answer 1

【答案】

（16分）

I．（共8分）（1）0.3 mol·L^－1· min ^－1（2分）[數據正確1分，單位1分]

（2）或（2分，不寫單位不扣分）

（3） ab（2分，選1個且正確1分，錯1個0分）

II．（共8分）（4）①二（1分，從氨、CO₂曲線下降及氨基甲酸銨曲線升高看出第一步是快反應；從尿素曲線升高緩慢看出第二步是慢反應）    ②＞（1分）

③（2分）

（5）①NO、NO₂（2分，對1個給1分，錯1個0分）

② (3c—2a—2b)（2分）

③CO(NH₂)₂+H₂O—6e^－=CO₂+N₂+6H⁺（2分）

[以下化學方程式或離子方程式：如果2分，化學式1分、系數和條件合起來1分。如果是3分：無條件的方程化學式2分、系數1分；有條件的方程化學式1分、系數1分、條件1分]

答：-1446.6kJ·mol^－1答案：CO(NH₂)₂+H₂O—6e^－=CO₂+N₂+6H⁺

【解析】

試題分析：（1）先用定義式求v(N₂)，再用系數之必等于速率之比求v(H₂)，由于n/V=c，則乙容器中氮氣的起始濃度為2mol/L，v(N₂)=△c(N₂)/△t=(2—1.5)mol/L÷5min=0.1mol/(L•min)，由于v(H₂)/v(N₂)=3/1，則v(H₂)=3v(N₂)= 0.3mol/(L•min)；（2）用三行數據法和定義式求甲容器中反應的平衡常數，則：

                        3H₂(g)   +   N₂(g)     2NH₃(g)

起始濃度/mol•L^－1         1.5          1             0

變化濃度/mol•L^－1        3—3c₁      1—c₁         2—2c₁

平衡濃度/mol•L^－1        3c₁—3        c₁          2—2c₁    （2分）

K==或；

（3）對比甲、乙容器，其他條件保持不變時，平衡時將甲容器容積減半，就能變為乙平衡，容積減半可以使氮氣、氫氣、氨氣濃度都立即加倍，增大反應體系的壓強，因為合成氨是氣體體積縮小的反應，則平衡向正反應方向移動，達到新平衡時氮氣的濃度減小，因此2c₁ > 1.5，故a選項正確；對比甲、乙容器，由于反應物和生成物都是氣體，反應前后氣體物質的總質量不變，甲容器中混合氣體總質量是乙的一半，兩容器容積均為2L，由于混合氣體的密度等于質量除以容器容積，則乙容器種混合氣體密度是甲的2倍，故b選項正確；對比甲、丙容器可知，其他條件保持不變，丙容器中反應達到平衡后加入1molN₂時，所達平衡與甲容器中平衡等效，由于平衡時加入了氮氣，增大氮氣濃度，使平衡向生成氨氣的方向移動，則氨氣的體積分數增大，因此甲丙容器中氨氣的體積分數不相等，故c選項錯誤；

（4）①讀圖，從氨、CO₂曲線快速下降及氨基甲酸銨曲線快速升高看出第一步是快反應；從尿素曲線升高緩慢看出第二步是慢反應，因此合成尿素總反應的快慢由第二步反應決定；②讀圖可知，升高溫度，平衡常數K逐漸增大，根據化學平衡移動原理和平衡常數計算表達式可知，前者使平衡向吸熱反應方向移動，后者說明平衡向正反應方向移動，則正反應是吸熱反應，焓變大于0；依題意，氨氣濃度增大，說明第一步反應所達平衡向逆反應方向移動，則第一步反應的平衡常數逐漸減小，由此可以在圖II中畫出第一步反應的平衡常數K₁隨溫度升高而逐漸減小的曲線；

（5）①觀察化學方程式，由于尿素中C、H、O的化合價分別為+4、+1、—2價，各元素化合價代數和為0，則氮元素為—3價，氮元素由尿素中的—3價升為0價，被氧化，則尿素是還原劑，氮元素由NO中的+2價降為0價，NO₂中的+4價降為0價，均被還原，則NO、NO₂都是該反應的氧化劑；②先將已知熱化學方程式編號為①②③，觀察發現③×3—①×2—②×2可以約去6H₂(g)，根據蓋斯定律，可以得到熱化學方程式：4NH₃(g) +4NO(g) +O₂(g)= 4N₂(g)+6H₂O(g)   △H= (3c—2a—2b) kJ·mol^－1；讀圖可知，負極主要反應物和產物分別為CO(NH₂)₂、N₂，氮元素由—3價升為0價，根據電子守恒可得：CO(NH₂)₂—6e^－→N₂；根據質子交換膜必須用氫離子使左右電荷守恒，則CO(NH₂)₂—6e^－→N₂+6H⁺；根據H、O、C原子個數守恒，則CO(NH₂)₂+H₂O—6e^－=CO₂+N₂+6H⁺。

考點：考查化學反應原理，涉及平均反應速率的計算、平衡常數的計算、壓強和濃度對平衡移動的影響、反應速率和化學平衡圖像、氧化劑、蓋斯定律、燃料電池負極反應式的書寫等。