Question

2．二氧化碳是一種寶貴的碳氧資源．以CO₂和NH₃為原料合成尿素是固定和利用CO₂的成功范例．在尿素合成塔中的主要反應可表示如下：
反應Ⅰ：2NH₃（g）+CO₂（g）?NH₂CO₂NH₄（s）△H₁=a kJ•mol^-1
反應Ⅱ：NH₂CO₂NH₄（s）?CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g）△H₂=+72.49kJ•mol^-1
總反應Ⅲ：2NH₃（g）+CO₂（g）?CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g）△H₃=-86.98kJ•mol^-1
請回答下列問題：
（1）反應Ⅰ的△H₁=-159.47kJ•mol^-1（用具體數據表示）．
（2）反應Ⅲ中影響CO₂平衡轉化率的因素很多，下圖1為某特定條件下，不同水碳比$\frac{n（{H}_{2}O）}{n（C{O}_{2}）}$和溫度影響CO₂平衡轉化率變化的趨勢曲線．
①其他條件相同時，為提高CO₂的平衡轉化率，生產中可以采取的措施是降低（填提高或降低）水碳比．
②當溫度高于190℃后，CO₂平衡轉化率出現如圖1所示的變化趨勢，其原因是溫度高于190℃時，因為反應Ⅲ是放熱反應，溫度升高平衡向逆方向進行，CO₂的平衡轉化率降低．

（3）反應Ⅰ的平衡常數表達式K₁=$\frac{1}{c（CO{\;}_{2}）c{\;}^{2}（NH{\;}_{3}）}$．
（4）某研究小組為探究反應Ⅰ中影響c（CO₂）的因素，在恒溫下將0.4molNH₃和0.2molCO₂放入容積為2L的密閉容器中，t₁時達到平衡過程中c（CO₂）隨時間t變化趨勢曲線如上圖2所示．若其他條件不變，t₁時將容器體積壓縮到1L，請畫出t₁后c（CO₂）隨時間t變化趨勢曲線（t₂達到新的平衡）．
（5）尿素在土壤中會發生反應CO（NH₂）₂+2H₂O?（NH₄）₂CO₃．下列物質中與尿素有類似性質的是A、B．
A．NH₂COONH₄ B．H₂NOCCH₂CH₂CONH₂ C．HOCH₂CH₂OH  D．HOCH₂CH₂NH₂
（6）某研究小組為探究反應III中氨碳比的影響，圖3為某特定條件下，當氨碳比$\frac{n（NH3）}{n（CO2）}$=4，CO₂的轉化率隨時間的變化關系．
①A點的逆反應速率v_逆（CO₂）小于B點的正反應速率為v_正（CO₂）（填“大于”、“小于”或“等于”）
②NH₃的平衡轉化率為30%．
（7）人工腎臟可用間接電化學方法除去代謝產物中的尿素，原理如圖4．陽極室中發生的反應為6Cl^--6e^-═3Cl₂↑、CO（NH₂）₂+3Cl₂+H₂O═N₂+CO₂+6HCl．

Answer 1

分析 （1）依據反應Ⅰ：2NH₃（g）+CO₂（g）?NH₂CO₂NH₄（s）△H₁=a kJ•mol^-1
反應Ⅱ：NH₂CO₂NH₄（s）?CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g）△H₂=+72.49kJ•mol^-1
總反應Ⅲ：2NH₃（g）+CO₂（g）?CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g）△H₃=-86.98kJ•mol^-1
由蓋斯定律總反應Ⅲ-反應Ⅱ得到反應Ⅰ進行計算；
（2）①不同水碳比$\frac{n（{H}_{2}O）}{n（C{O}_{2}）}$和溫度影響CO₂平衡轉化率變化的趨勢曲線分析可知，
②反應Ⅲ是放熱反應，升溫平衡逆向進行；
（3）依據熱化學方程式2NH₃（g）+CO₂（g）?NH₂CO₂NH₄（s）△H₁=a kJ•mol^-1 ，結合平衡常數的概念書寫；
（4）圖象分析二氧化碳的平衡濃度為0.025mol/L，體積縮小一半濃度增大一倍應為0.05mol/L，隨反應進行達到平衡狀態，因為生成物為固體，最后達到相同平衡狀態，二氧化碳濃度不變，據此畫出變化曲線；
（5）分析尿素結構可知，和羰基連接的氨基據此性質分析推斷．
（6）①由CO₂的轉化率隨時間變化圖可知在A點時反應還未達到平衡狀態，反應仍將繼續正向進行；
②設CO₂的初始物質的量為a，則NH₃的初始物質的量為4a，由圖可知，CO₂的轉化率為60%，故轉化的二氧化碳為0.6a，根據方程式計算轉化的NH₃的物質的量，再根據轉化率定義計算；
（7）由圖可知，陽極室首先是氯離子放電生成氯氣，氯氣再氧化尿素生成氮氣、二氧化碳，同時會生成HCl．

解答 解：（1）反應Ⅰ：2NH₃（g）+CO₂（g）?NH₂CO₂NH₄（s）△H₁=a kJ•mol^-1
反應Ⅱ：NH₂CO₂NH₄（s）?CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g）△H₂=+72.49kJ•mol^-1
總反應Ⅲ：2NH₃（g）+CO₂（g）?CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g）△H₃=-86.98kJ•mol^-1
由蓋斯定律總反應Ⅲ-反應Ⅱ，得到2NH₃（g）+CO₂（g）?NH₂CO₂NH₄（s）△H₁=a=-159.47kJ•mol^-1，
故答案為：-159.47；
（2）①反應Ⅲ：2NH₃（g）+CO₂（g）?CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g）△H₃=-86.98kJ•mol^-1，其他條件相同時，為提高CO₂的平衡轉化率，平衡正向進行，依據圖象中的水碳比數據分析判斷，生產中可以采取的措施是降低水碳比，二氧化碳轉化率增大，故答案為：降低；
②反應Ⅲ：2NH₃（g）+CO₂（g）?CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g）△H₃=-86.98kJ•mol^-1，是放熱反應，升溫高于190°C，依據圖象分析可知，二氧化碳轉化率減小，因為溫度升高，平衡逆向進行，
故答案為：溫度高于190℃時，因為反應Ⅲ是放熱反應，溫度升高平衡向逆方向進行，CO₂的平衡轉化率降低；
（3）反應Ⅰ：2NH₃（g）+CO₂（g）?NH₂CO₂NH₄（s）△H₁=-159.47kJ•mol^-1，平衡常數K=$\frac{1}{c（CO{\;}_{2}）c{\;}^{2}（NH{\;}_{3}）}$，故答案為：$\frac{1}{c（CO{\;}_{2}）c{\;}^{2}（NH{\;}_{3}）}$；
（4）在恒溫下將0.4mol NH₃和0.2mol CO₂放入容積為2L的密閉容器中，達到平衡時，
                2NH₃（g）+CO₂（g）?NH₂CO₂NH₄（s）
起始量（mol/L）  0.2       0.1           0
變化量（mol/L） 0.15       0.075
平衡量（mol/L） 0.05        0.025
t₁時達到平衡過程中c（CO₂）隨時間t變化趨勢曲線如圖2所示．若其他條件不變，t₁時將容器體積壓縮到1L，二氧化碳濃度應增大到0.05mol/L，壓強增大，平衡正向進行，由于生成物是固體，所以達到平衡狀態，二氧化碳濃度保持不變，據此畫出變化曲線為：
，故答案為：；

（5）尿素在土壤中會發生反應CO（NH₂）₂+2H₂O?（NH₄）₂CO₃．分析結構特征可知，物質性質取決于官能團，尿素中氨基和羰基相連和水反應生成銨根離子，所以選項中符合此結果特征的有類似性質：
A．NH₂COONH₄ ，結構中含有與羰基連接的氨基，故A符合；
B．H₂NOCCH₂CH₂CONH₂ 結構中含有與羰基連接的氨基，故B符合；
C．HOCH₂CH₂OH，結構中不含有氨基，故C不符合；        
D．HOCH₂CH₂NH₂，分子中的氨基不是和羰基連接，不具備次性質，故D不符合；
故答案為：A、B；
（6）①由CO₂的轉化率隨時間變化圖可知在A點時反應還未達到平衡狀態，反應仍將繼續正向進行，故v_逆（CO₂）小于B點平衡時的化學反應速率，故答案為：小于；
②設CO₂的初始物質的量為a，則NH₃的初始物質的量為4a，由圖可知，CO₂的轉化率為60%，故轉化的二氧化碳為a×60%=0.6a，根據方程式可知，轉化的NH₃的物質的量為0.6a×2=1.2a，故平衡時氨氣的轉化率定為$\frac{1.2a}{4a}$×100%=30%，
故答案為：30%；
（7）由圖可知，陽極室首先是氯離子放電生成氯氣，氯氣再氧化尿素生成氮氣、二氧化碳，同時會生成HCl，陽極室中發生的反應依次為：6Cl^--6e^-═3Cl₂↑，CO（NH₂）₂+3Cl₂+H₂O═N₂+CO₂+6HCl，
故答案為：6Cl^--6e^-═3Cl₂↑；CO（NH₂）₂+3Cl₂+H₂O═N₂+CO₂+6HCl．

點評 本題考查了熱化學方程式和蓋斯定律的計算應用，化學平衡影響因素分析判斷，平衡常數，圖象繪制與分析，掌握基礎知識，推斷物質結構是關鍵，題目難度中等．