Question

（2011?懷化一模）化學一化學與技術
我國有豐富的天然氣資源．以天然氣為原料合成尿素的主要流程如圖所示（圖中某些轉化步驟及生成物未列出）

請填寫下列空白：
（1）合成尿素的反應分二步，請寫出該反應的化學方程式
①

2NH₃+CO₂

加溫、加壓  .

NH₂COONH₄

；
②

NH₂COONH₄

加熱  .

CO（NH₂）₂+H₂O

．
（2）依據流程圈，判斷下列說法正確的是

C

．
A．在轉化CO的過程中使用催化劑，可以提高CO的轉化率
B．進入分離二氧化碳裝置的氣體有2種
C．N₂、H₂的循環使用，提高了原子的利用率
D．二氧化碳與氨合成尿素屬于人工固氮
E．流程中的原料有3種取之不盡，用之不完
（3）合成氨選擇的外界條件是：催化劑，20～50MPa的壓強，500℃的溫度．選擇該溫度的主要原因是

500℃的溫度反應速率較快，催化劑活性最高

．
（4）已知制造合成氣的反應為CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g），該反應的平衡常數表達式為K=

c(CO)?c3(H2)

c(CH4)?c(H2O)

．降低溫度K減小，則正反應是一個

吸

熱反應．當造合成氣的反應中甲烷的轉化率為75%．合成氨中氫氣的轉化率為40%（其他過程的損失不計）以5.60xlO⁷L甲烷為原料能夠合成

4.48xlO⁷L

L氨氣．（假設體積均在標準狀況下測定）

Answer 1

分析：（1）在高溫高壓條件下，NH₃與CO₂反應生成NH₂COONH₄，NH₂COONH₄加熱分解生成CO（NH₂）₂與H₂O．
（2）A．催化劑不影響平衡移動．
B．由工藝流程可知，進入分離二氧化碳裝置的氣體有H₂O、CH₄、H₂、CO₂等．
C．N₂、H₂的循環使用，提高了原子的利用率．
D．由游離態的氮元素轉化為化合態，稱為固氮．
E．天然氣是化石能源，屬于不可再生資源，．
（3）500℃的溫度反應速率較快，催化劑活性最高．
（4）平衡常數指產物濃度系數次冪的乘積與反應物濃度系數次冪的乘積的比值．
降低溫度，平衡常數K減小，平衡向逆反應進行，降低溫度平衡向放熱反應方向移動．
根據關系式CH₄～CO～3H₂計算造合成氣的反應中生成的CO、H₂的體積，根據關系式 CO～H₂計算分離二氧化碳過程生成的H₂體積，兩部分氫氣體積為生成氫氣的總體積，再根據 3H₂～2NH₃計算生成氨氣的體積．

解答：解：（1）在高溫高壓條件下，NH₃與CO₂反應生成NH₂COONH₄，NH₂COONH₄加熱分解生成CO（NH₂）₂與H₂O．
反應方程式為①2NH₃+CO₂

加溫、加壓  .

NH₂COONH₄，②NH₂COONH₄

加熱  .

CO（NH₂）₂+H₂O．
故答案為：①2NH₃+CO₂

加溫、加壓  .

NH₂COONH₄，②NH₂COONH₄

加熱  .

CO（NH₂）₂+H₂O．
（2）A．使用催化劑加快反應速率，縮短到達平衡時間，催化劑不影響平衡移動，CO的轉化率不變，故A錯誤；
B．由工藝流程可知，進入分離二氧化碳裝置的氣體有H₂O、CH₄、H₂、CO₂等，故B錯誤；
C．N₂、H₂的循環使用，充分利用氮元素、氫元素，提高了原子的利用率，故C正確；
D．氨中的氮元素屬于化合態，二氧化碳與氨合成尿素，不是游離態的氮元素轉化為化合態，不屬于人工固氮，故D錯誤；
E．天然氣是化石能源，屬于不可再生資源，故E錯誤．
故選：C．
（3）合成氨反應是放熱反應，雖然溫度越高對反應有抑制作用，但是在500度時催化劑的活性最大，反應速率也很快．綜合考慮工業生產選擇500度的高溫．
故答案為：500℃的溫度反應速率較快，催化劑活性最高．
（4）平衡常數指產物濃度系數次冪的乘積與反應物濃度系數次冪的乘積的比值．所以反應CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）的平衡常數k=

c(CO)?c3(H2)

c(CH4)?c(H2O)

．
降低溫度，平衡常數K減小，平衡向逆反應進行，降低溫度平衡向放熱反應方向移動，故該反應正反應為吸熱反應．
根據關系式計算造合成氣的反應中生成的CO、H₂的體積：
合成氣的反應中：CH₄～～～～～～～～～CO～～～～～～～～～～3H₂，
         5.60xlO⁷L×0.75      5.60xlO⁷L×0.75    5.60xlO⁷L×0.75×3
分離二氧化碳過程生成的H₂體積：CO～～～～～～～～～～H₂，
                             5.60xlO⁷L×0.75       5.60xlO⁷L×0.75    
所以產生的氫氣的總體積為5.60xlO⁷L×0.75×3+5.60xlO⁷L×0.75=5.60xlO⁷L×0.75×4
令產生氨氣的體積為V，則：
       3H₂～～～～～～～～～2NH₃
       3                    2
5.60xlO⁷L×0.75×4×40%      V
解得，V=5.60xlO⁷L×0.75×4×40%×

2

3

=4.48xlO⁷L
故答案為：

c(CO)?c3(H2)

c(CH4)?c(H2O)

；吸；4.48xlO⁷L．

點評：考查學生對工藝流程的理解、化學平衡移動及平衡常數與計算、合成氨條件的選擇等，難度中等，關鍵是掌握整個制備流程原理，要求學生要有扎實的基礎知識和靈活應用知識解決問題的能力．（4）中計算為易錯點，容易忽略分離二氧化碳過程生成的H₂體積．