Question

3．工業生產硝酸銨的流程如圖1所示

（1）硝酸銨的水溶液呈酸性（填“酸性”、“中性”或“堿性”）；其水溶液中各離子的濃度大小順序為：c（NO₃^-）＞c（NH₄⁺）＞c（H⁺）＞c（OH^-）．
（2）已知N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H＜0，當反應器中按n（N₂）：n（H₂）=1：3投料，分別在200℃、400℃、600℃下達到平衡時，混合物中NH₃的物質的量分數隨壓強的變化曲線如圖2．
①曲線a對應的溫度是200℃．
②關于工業合成氨的反應，下列敘述正確的是ACDE
A．及時分離出NH₃可以提高H₂的平衡轉化率
B．P點原料氣的平衡轉化率接近100%，是當前工業生產工藝中采用的溫度、壓強條件
C．圖中M、N、Q點平衡常數K的大小關系是K（M）=K（Q）＞K（N）
D．M點對應的H₂轉化率是75%
E．如果N點時c（NH₃）=0.2mol•L^-1，N點的化學平衡常數K≈0.93
（3）尿素（H₂NCONH₂）是一種非常重要的高效氮肥，工業上以NH₃、CO₂為原料生產尿素，該反應實際為二步反應：第一步：2NH₃（g）+CO₂（g）═H₂NCOONH₄（s）△H=-272kJ•mol^-1
第二步：H₂NCOONH₄（s）═CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g）△H=+138kJ•mol^-1
寫出工業上以NH₃、CO₂為原料合成尿素的熱化學方程式：2NH₃（g）+CO₂（g）?H₂O（g）+CO（NH₂）₂（s）△H=-134kJ/mol
（4）某實驗小組模擬工業上合成尿素的條件，在一體積為0.5L密閉容器中投入4mol氨和1mol二氧化碳，實驗測得反應中各組分隨時間的變化如圖3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二步反應決定，總反應進行到55min時到達平衡．
②反應進行到10min時測得CO₂的物質的量如圖4所示，則用CO₂表示的第一步反應的速率v（CO₂）=0.148mol•L^-1•min^-1．
③在右圖中畫出第二步反應的平衡常數K隨溫度的變化的示意圖．

Answer 1

分析 （1）硝酸銨的水溶液中銨根離子水解會使溶液呈酸性，硝酸銨中硝酸根和銨根離子溶液相等，但部分銨根水解，濃度減小，據此判斷離子濃度大�。�
（2）①依據反應是放熱反應，溫度升高，平衡逆向進行，氨氣的含量減��；
②A、減小生成物濃度平衡正向移動；B、P點原料氣的平衡轉化率接近100%，但此時壓強為100MPa，對設備的要求太高，成本高，不是當前工業生產工藝中采用的溫度、壓強條件；C、K只受溫度影響，該反應溫度升高時K值減�。籇、M點時氨的物質的量的分數為60%，根據反應N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）利用三段式計算；E、根據反應N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）利用三段式計算出平衡時各物質的濃度，并計算平衡常數；
（3）根據蓋斯定律，①2NH₃（g）+CO₂（g）═H₂NCOONH₄（s）△H=-272kJ•mol^-1；②H₂NCOONH₄（s）═CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g）△H=+138kJ•mol^-1；將①+②可得以NH₃、CO₂為原料合成尿素的熱化學方程式；
（4）①已知總反應的快慢由慢的一步決定，結合圖象變化趨勢，圖象表達反應的判斷，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；
②根據圖象中二氧化碳在10 min時測得CO₂的物質的量計算出用CO₂表示的第一步反應的速率v（CO₂）；
③第二步反應為吸熱反應，升高溫度平衡向正反應方向移動，平衡常數增大，據此畫圖．

解答 解：（1）硝酸銨的水溶液中銨根離子水解會使溶液呈酸性，硝酸銨中硝酸根和銨根離子溶液相等，但部分銨根水解，濃度減小，所以溶液中離子濃度大小關系是c（NO₃^-）＞c（NH₄⁺）＞c（H⁺）＞c（OH^-），
故答案為：酸性；c（NO₃^-）＞c（NH₄⁺）＞c（H⁺）＞c（OH^-）；
（2）①合成氨的反應為放熱反應，反應溫度越高，越不利于反應的進行，曲線a的氨氣的物質的量分數最高，其反應溫度對應相對最低，所以a曲線對應溫度為200°C；
故答案為：200℃；
②A、及時分離出NH₃，可以使平衡正向進行，可以提高H₂的平衡轉化率，故A正確；
B、P點原料氣的平衡轉化率接近100%，但此時壓強為100MPa，對設備的要求太高，成本高，不是當前工業生產工藝中采用的溫度、壓強條件，故B錯誤；
C、平衡常數與溫度有關，與其他條件無關，同一溫度下的平衡常數相同，反應是放熱反應，溫度越高平衡常數越小，上圖中M、N、Q點平衡常數K的大小關系是K（M）=K（Q）＞K（N），故C正確；
D、M點時氨的物質的量的分數為60%，利用三段式，設H₂轉化率是x
根據反應N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）
起始    1       3         0
轉化    x       3x        2x
平衡   1-x      3-3x      2x
$\frac{2x}{1-x+3-3x+2x}$=60%，所以x=0.75，故D正確；
E、N點時氨的物質的量的分數為20%，利用三段式，設N₂轉化率是b，N₂的起始濃度為a，
根據反應N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）
起始    a       3a         0
轉化    ab       3ab       2ab
平衡   a-ab      3a-3ab      2ab
根據題意有$\left\{\begin{array}{l}{\frac{2ab}{a-ab+3a-3ab+2ab}=20%}\\{2ab=0.2mol•L{\;}^{-1}}\end{array}\right.$，所以a=0.3mol•L^-1，b=$\frac{1}{3}$，所以平衡常數K=$\frac{（2ab）^{2}}{（a-ab）•（{3a-3ab）}^{3}}$=0.93，故E正確，
故選：ACDE；
（3）根據蓋斯定律，①2NH₃（g）+CO₂（g）═H₂NCOONH₄（s）△H=-272kJ•mol^-1；②H₂NCOONH₄（s）═CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g）△H=+138kJ•mol^-1；將①+②可得以NH₃、CO₂為原料合成尿素的熱化學方程式為2NH₃（g）+CO₂（g）?H₂O（g）+CO（NH₂）₂ （s）△H=-134kJ/mol，
故答案為：2NH₃（g）+CO₂（g）?H₂O（g）+CO（NH₂）₂ （s）△H=-134kJ/mol；
（4）①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，發生的是第二部反應，從曲線斜率不難看出第二步反應速率慢，所以合成尿素總反應的快慢由第二步反應決定，根據圖可知，尿素在55分鐘時，物質的量不再變化，即反應達到平衡，所以總反應進行到55min時到達平衡，
故答案為：二；55；
②反應進行到10 min時測得CO₂的物質的量為0.26mol，二氧化碳的濃度變化為：c（CO₂）=$\frac{1mol-0.26mol}{0.5L}$=1.48mol/L，
則用CO₂表示的第一步反應的速率v（CO₂）=$\frac{1.48mol/L}{10min}$=0.148 mol/（L•min），
故答案為：0.148；
③第二步反應為吸熱反應，升高溫度平衡向正反應方向移動，平衡常數增大，所以第二步反應的平衡常數K隨溫度的變化的示意圖為，
故答案為：．

點評 本題考查了熱化學方程式的書寫、化學平衡的計算，題目難度中等，注意掌握蓋斯定律的內容及應用方法，能夠利用三段式進行化學平衡的計算，明確反應速率的概念及計算方法，試題培養了學生的分析、理解能力及化學計算能力．