Question

15．氮元素及其化合物在生產、生活中有著廣泛的應用．
Ⅰ．亞硝酸（HNO₂）是一種弱酸、具有氧化性．
（1）已知：25℃時，K_a（HNO₂）=5.0×10^-4  K_b（NH₃•H₂O）=1.8×10^-5
室溫下，0.1mol•L^-1的NH₄NO₂溶液中離子濃度由大到小順序為c（NO₂^-）＞c（NH₄⁺）＞c（H⁺）＞c（OH^-）．
（2）酸性工業廢水中NO₃^-可用尿素[CO（NH₂）₂]處理，轉化為對空氣無污染的物質，其反應的離子反應方程式為6H⁺+5CO（NH₂）₂+6NO₃^-=5CO₂↑+8N₂↑+13H₂O．
Ⅱ．工業上以NH₃、CO₂為原料生產尿素，該過程實際分為兩步反應：
第一步合成氨基甲酸銨：2NH₃（g）+CO₂（g）═H₂NCOONH₄（s）△H=-272kJ•mol^-1
第二步氨基甲酸銨分解：H₂NCOONH₄（s）═CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g）△H=+138kJ•mol^-1
（3）寫出以NH₃、CO₂為原料合成尿素分熱化學方程式：2NH₃（g）+CO₂（g）═CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g）△H=-134kJ•mol^-1．
（4）某實驗小組模擬工業上合成尿素的條件：T℃時，在一體積為10L密閉容器中投入4molNH₃和1molCO₂
，實驗測得反應中各組分的物質的量隨時間的變化如圖1所示．
①反應進行到10min時測得CO₂的物質的量為0.26mol，則第一步的反應速率v（CO₂）=0.0074mol/（L•min）．
②已知總反應的快慢由慢的一步決定，則在此條件下，合成尿素兩步反應中慢反應的平衡常數K=c（H₂0）．
Ⅲ．電化學方法可用于治理空氣中的氮氧化物NO_x．
（5）如圖2是用食鹽水做電解液電解煙氣脫氮的一種原理圖，NO被陽極產生的氧化性物質氧化為NO₃^-，尾氣經氫氧化鈉溶液吸收后排入空氣．
①電解池中NO被氧化成NO₃^-的離子方程式為3Cl₂+8OH^-+2NO=2NO₃^-+6Cl^-+4H₂O
②研究發現，除了電流密度外，控制電解液較低的pH有利于提高NO去除率，其原因是次氯酸鈉在酸性條件下氧化性增強．

Answer 1

分析 （1）根據電離常數K_a（HNO₂）=5.0×10^-4  K_b（NH₃•H₂O）=1.8×10^-5判斷一水合氨的電離能力弱于亞硝酸，則銨根離子的水解能力強于亞硝酸根離子，溶液顯酸性，據此判斷；
（2）尿素在酸性條件下與硝酸根反應生成二氧化碳和氮氣；
（3）已知：①2NH₃（g）+CO₂（g）═H₂NCOONH₄（s）△H=-272kJ•mol^-1
②H₂NCOONH₄（s）═CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g）△H=+138kJ•mol^-1，
根據蓋斯定律：①+②可得；
（4）①反應進行到10min時測得CO₂的物質的量為0.26mol，根據v=$\frac{△c}{△t}$計算；
②已知總反應的快慢由慢的一步決定，結合圖象變化趨勢進行判斷，反應快慢可以依據第一步和第二步反應的曲線斜率比較大小；再根據化學平衡常數概念寫K，注意固體不寫入表達式；
（5）①食鹽水做電解液電解得Cl₂脫氮，根據氧化還原反應的規律可得反應；
②次氯酸鈉在酸性條件下氧化性增強，故控制電解液較低的pH有利于提高NO去除率．

解答 解：（1）電離常數K_a（HNO₂）=5.0×10^-4  K_b（NH₃•H₂O）=1.8×10^-5，則NH₃•H₂O的電離能力較弱，相應的銨根離子的水解能力稍強，溶液顯酸性，所以NH₄NO₂溶液中離子濃度由大到小順序為：c（NO₂^-）＞c（NH₄⁺）＞c（H⁺）＞c（OH^-）；
故答案為：c（NO₂^-）＞c（NH₄⁺）＞c（H⁺）＞c（OH^-）；
（2）酸性條件下，亞硝酸根離子和尿素發生氧化還原反應生成兩種無毒氣體，根據元素守恒知，兩種無毒氣體應該是氮氣和二氧化碳氣體，離子反應方程式為：6H⁺+5CO（NH₂）₂+6NO₃^-=5CO₂↑+8N₂↑+13H₂O；
故答案為：6H⁺+5CO（NH₂）₂+6NO₃^-=5CO₂↑+8N₂↑+13H₂O；
（3）已知：①2NH₃（g）+CO₂（g）═H₂NCOONH₄（s）△H=-272kJ•mol^-1
②H₂NCOONH₄（s）═CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g）△H=+138kJ•mol^-1，
根據蓋斯定律：①+②可得：2NH₃（g）+CO₂（g）═CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g）△H=-134kJ•mol^-1；
故答案為：2NH₃（g）+CO₂（g）═CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g）△H=-134kJ•mol^-1；
（4）①體積為10L密閉容器中投入4molNH₃和1molCO₂，反應進行到10min時測得CO₂的物質的量為0.26mol，v（CO₂）=$\frac{（1mol-0.26mol）÷10L}{10min}$=0.0074mol/（L•min）；
故答案為：0.0074mol/（L•min）；
②由圖象可知在15分鐘左右，氨氣和二氧化碳反應生成氨基甲酸銨后不再變化，發生的是第一步反應，氨基甲酸銨先增大再減小最后達到平衡，發生的是第二步反應，從曲線斜率不難看出第二部反應速率慢，已知總反應的快慢由慢的一步決定，故合成尿素兩步反應中慢反應為H₂NCOONH₄（s）═CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g），根據化學平衡常數概念K=c（H₂0）；
故答案為：c（H₂0）；
（5）①電解食鹽水陽極產生氯氣作氧化劑，NO為還原劑，在堿性條件下的反應為：3Cl₂+8OH^-+2NO=2NO₃^-+6Cl^-+4H₂O；
故答案為：3Cl₂+8OH^-+2NO=2NO₃^-+6Cl^-+4H₂O；
②次氯酸鈉在酸性條件下氧化性增強，故控制電解液較低的pH有利于提高NO去除率；
故答案為：次氯酸鈉在酸性條件下氧化性增強．

點評 本題考查了了蓋斯定律求反應熱、化學平衡速率計算及常數K的表達式、氧化還原反應等，（5）中對電解食鹽水的產物判斷是關鍵，題目難度中等．