Question

18．尿素[CO（NH₂）₂]是首個由無機物人工合成的有機物．

（1）工業上，尿素可以由CO₂和NH₃在一定條件下合成，其反應方程式為2NH₃+CO₂$\frac{\underline{\;一定條件\;}}{\;}$CO（NH₂）₂+H₂O．
（2）圖1所示是N₂（g）和H₂（g）反應生成2molNH₃（g）過程中能量變化示意圖，請寫出工業合成氨的熱化學方程式為N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H=-92.2kJ•mol^-1．

（3）在一定條件下，在體積為10 L的固定容器中發生反應：N₂（g）+3H₂（g）═2NH₃（g），反應過程如圖2所示：
①在0～8min，H₂的平均反應速率v（H₂）=$\frac{9}{800}$mol/（L．min）．
②在該條件下，合成氨的化學平衡常數K=1.33×10⁴．
③在10～12min，通過降低溫度使合成氨的化學平衡向正反應（填“正反應”、“逆反應”、“不移動”）方向移動．
（4）當氨碳比$\frac{n（N{H}_{3}）}{n（C{O}_{2}）}$=4，CO₂的轉化率隨時間的變化關系如圖3所示：A點的逆反應速率v逆（CO₂）小于B點的正反應速率v正（CO₂）（填“大于”、“小于”或“等于”）．此時NH₃的平衡轉化率為30%．

Answer 1

分析 （1）CO₂和NH₃合成CO（NH₂）₂，根據元素守恒可知，同時還有H₂O生成，配平書寫方程式；
（2）由圖可知，生成2molNH₃（g）放出熱量為（427.2-335）kJ=92.2kJ，注明物質的聚集狀態與焓變書寫熱化學方程式；
（3）8min到達平衡，X、Y、Z的濃度變化量之比為0.6：0.9：0.3=2：3：1，故X為氨氣、Y為氫氣、Z為氮氣．
①根據v=$\frac{△c}{△t}$計算v（H₂）；
②平衡常數K=$\frac{{c}^{2}（N{H}_{3}）}{c（{N}_{2}）×{c}^{3}（{H}_{2}）}$；
③在10min改變條件瞬間各組分物質的量不變，而氮氣、氫氣物質的量減小，氨氣物質的量增大，平衡向正反應進行，2min到達新平衡又生成0.1mol氨氣，小于原平衡中8min內生成的0.6mol氨氣，改變條件后反應速率減慢，正反應為氣體體積減小放熱反應，應該是降低溫度；
（4）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，而B點處于平衡狀態；
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．

解答 解：（1）CO₂和NH₃合成CO（NH₂）₂，根據元素守恒可知，同時還有H₂O生成，化學方程式為：2NH₃+CO₂$\frac{\underline{\;一定條件\;}}{\;}$CO（NH₂）₂+H₂O，
故答案為：2NH₃+CO₂$\frac{\underline{\;一定條件\;}}{\;}$CO（NH₂）₂+H₂O；
（2）由圖可知，生成2molNH₃（g）放出熱量為（427.2-335）kJ=92.2kJ，反應熱化學方程式為：N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H=-92.2kJ•mol^-1，
故答案為：N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H=-92.2kJ•mol^-1；
（3）8min到達平衡，X、Y、Z的濃度變化量之比為0.6：0.9：0.3=2：3：1，故X為氨氣、Y為氫氣、Z為氮氣．
①在0～8min內，v（H₂）=$\frac{\frac{1.2mol-0.3mol}{10L}}{8min}$=$\frac{9}{800}$mol/（L．min），故答案為：$\frac{9}{800}$mol/（L．min）；
②平衡常數K=$\frac{{c}^{2}（N{H}_{3}）}{c（{N}_{2}）×{c}^{3}（{H}_{2}）}$=$\frac{（\frac{0.6}{10}）^{2}}{\frac{0.1}{10}×（\frac{0.3}{10}）^{3}}$=1.33×10⁴，故答案為：1.33×10⁴；
③在10min改變條件瞬間各組分物質的量不變，而氮氣、氫氣物質的量減小，氨氣物質的量增大，平衡向正反應進行，2min到達新平衡又生成0.1mol氨氣，小于原平衡中8min內生成的0.6mol氨氣，改變條件后反應速率減慢，正反應為氣體體積減小放熱反應，應該是降低溫度，故答案為：降低溫度；正反應；
（4）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，而B點處于平衡狀態，故A點v_逆（CO₂）小于B點v_正（CO₂），
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：小于；30%．

點評 本題考查化學平衡的計算與影響因素、熱化學方程式書寫，難度中等，較好的考查學生分析解決問題能力．