Question

6．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步驟如圖所示（圖中某些轉化步驟及生成物未列出）：

（1）“造合成氣”發生的熱化學方程式是CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）；△H＞0在恒溫恒容的條件下，欲提高CH₄的反應速率和轉化率，下列措施可行的是BD．
A、增大壓強    B、升高溫度  C、充入He氣    D、增大水蒸氣濃度
（2）“轉化一氧化碳”發生的方程式是H₂O（g）+CO（g）?H₂（g）+CO₂（g），該反應平衡常數隨溫度的

溫度/℃	400	500	800
平衡常數K	9.94	9	1

變化如下：
提高氫碳比[$\frac{n（{H}_{2}O）}{n（CO）}$]，K值不變（填“增大”、“不變”或“減小”）；若該反應在400℃時進行，起始通入等物質的量的H₂O和CO，反應進行到某一時刻時CO和CO₂的濃度比為1：3，此時v（正）＞v（逆）（填“＞”、“=”或“＜”）．
（3）有關合成氨工業的說法中正確的是A．
A、該反應屬于人工固氮
B、合成氨工業中使用催化劑能提高反應物的利用率
C、合成氨反應溫度控制在500℃左右，目的是使化學平衡向正反應方向移動
D、合成氨工業采用循環操作的主要原因是為了加快反應速率
（4）生產尿素過程中，理論上n（NH₃）：n（CO₂）的最佳配比為2：1，而實際生產過程中，往往使n（NH₃）：n（CO₂）≥3，這是因為有利于提高CO₂的轉化率，因為NH₃極易溶于水，便于分離、回收利用．
（5）當甲烷合成氨氣的轉化率為60%時，以3.0×10⁸L甲烷為原料能夠合成4.8×10⁸L 氨氣．（假設體積均在標準狀況下測定）

Answer 1

分析 （1）在恒溫恒容的條件下，欲提高CH₄的反應速率和轉化率，改變條件平衡向正反應方向移動，且反應速率加快，結合外界條件對反應速率、平衡移動影響分析；
（2）平衡常數只受溫度影響，與反應物的濃度無關；
令開始H₂O和CO的物質的量都是1mol，某一時刻時CO和CO₂的濃度比為1：3，計算此時參加反應的CO的物質的量，利用三段式計算此時各組分的濃度，反應氣體氣體的體積不變，利用物質的量代替濃度計算此時的濃度商Qc，與平衡常數比較判斷反應進行分析，據此解答；
（3）A．固氮指由游離態的氮轉化為化合態的氮；
B．催化劑加快反應速率，不能影響平衡移動；
C．合成氨反應溫度控制在500℃左右，在該溫度下反應速率較快、催化劑活性較高；
D．合成氨工業采用循環操作，目的是提高原料的利用率；
（4）根據尿素的化學式，結合C、N原子守恒判斷生產尿素過程中，理論上n（NH₃）：n（CO₂）的最佳配比；
有利于提高CO₂的轉化率，NH₃極易溶于水，便于分離、回收利用；
（5）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）A、增大壓強，反應速率加快，平衡向逆反應方向移動，甲烷的轉化率降低，故A錯誤；
B、升高溫度，反應速率加快，平衡向正反應方向移動，甲烷的轉化率增大，故B正確；
C、充入He氣，反應混合物的濃度不變，反應速率不變，平衡不移動，甲烷的轉化率不變，故C錯誤；
D、增大水蒸氣濃度，反應速率加快，平衡向逆反應方向移動，甲烷的轉化率增大，故D正確；
故答案為：BD；
（2）平衡常數只受溫度影響，與反應物的濃度無關，提高氫碳比[n（H₂O）/n（CO）]，K值不變；
令開始H₂O和CO的物質的量都是1mol，某一時刻時CO和CO₂的濃度比為1：3，設此時參加反應CO為xmol，則（1-x）：x=1：3，解得x=0.75，則：
             H₂O（g）+CO（g）?H₂（g）+CO₂（g），
  開始（mol）：1       1        0      0
  變化（mol）：0.75    0.75     0.75   0.75
某時刻（mol）：0.25    0.25     0.75   0.75
故產生濃度商Qc=$\frac{0.75×0.75}{0.25×0.25}$=9＜9.94，反應向正反應進行，故v（正）＞v（逆），
故答案為：不變；＞；
（3）A．固氮指由游離態的氮轉化為化合態的氮，合成氨屬于人工固氮，故A正確；
B．催化劑加快反應速率，不能影響平衡移動，不能提高反應物的利用率，故B錯誤；
C．該反應正反應是放熱反應，高溫不利用氨氣的合成，合成氨反應溫度控制在500℃左右，在該溫度下反應速率較快、催化劑活性較高，故C錯誤；
D．合成氨工業采用循環操作，目的是提高原料的利用率，故D錯誤；
故答案為：A；
（4）根據尿素的化學式CO（NH₂）₂，C、N原子完全利用最后，由C、N原子守恒可知生產尿素過程中，理論上n（NH₃）：n（CO₂）的最佳配比為2：1；
往往使n（NH₃）：n（CO₂）≥3，這是由于：有利于提高CO₂的轉化率，且NH₃極易溶于水，便于分離、回收利用；
故答案為：2：1；有利于提高CO₂的轉化率，且NH₃極易溶于水，便于分離、回收利用；
（5）由CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g），N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g），可得CH₄（g）～3H₂（g）～2NH₃（g），設能夠合成氨氣的體積為VL，則：
   CH₄（g）～3H₂（g）～2NH₃（g），
    1                  2
3.0×10⁸L×60%          VL
故V=3.0×10⁸L×60%×2=3.6×10⁸L
合成氣的反應中：CH₄～～～～～～～～～CO～～～～～～～～～～3H₂，
         3.0×10⁸L×60%     3.0×10⁸L×60%    3.0×10⁸L×60%×3
分離二氧化碳過程生成的H₂體積：CO～～～～～～～～～～H₂，
                         3.0×10⁸L×60%    3.0×10⁸L×60%    
所以產生的氫氣的總體積為3.0×10⁸L×60%×3+3.0×10⁸L×60%=12×10⁸L×60%
令產生氨氣的體積為V，則：
       3H₂～～～～～～～～～2NH₃
       3                    2
       12×10⁸L×60%         V
故V=12×10⁸L×60%×$\frac{2}{3}$=4.8×10⁸L      
故答案為：4.8×10⁸．

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．