Question

16．二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=akJ•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Ⅱ的△S＞（填＞或＜）0，一般在高溫（“高溫”或“低溫”或“任何溫度”）下
有利于該反應自發進行．
（3）反應Ⅲ中影響CO₂平衡轉化率的因素很多，圖1為某特定條件下，不同水碳比n（H₂O）/n（CO₂）
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．

（4）反應Ⅰ的平衡常數表達式K₁=$\frac{1}{c（C{O}_{2}）{c}^{2}（N{H}_{3}）}$；如果起始溫度相同，反應Ⅰ由在恒溫容器進行改為在絕熱（與外界沒有熱量交換）容器中進行，平衡常數K₁將減少（填增大、減少、不變）．
（5）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t_1-t₃之間c（CO₂）隨時間t變化趨勢曲線（t₂達到新的平衡）．
（6）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．NH₂COONH₄B．H₂NOCCH₂CH₂CONH₂C．HOCH₂CH₂OHD．HOCH₂CH₂NH₂．

Answer 1

分析 （1）反應Ⅰ的熱化學方程式可以依據反應Ⅱ、Ⅲ熱化學方程式計算得到，同時得到反應的焓變；
（2）反應Ⅱ：NH₂COONH₄（s）?CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g）△H₂=+72.49kJ•mol^-1是氣體探究增大的吸熱反應，熵變△S＞0，焓變△H＞0，反應自發進行的判斷依據是△H-T△S＜0；
（3）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；
（4）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；平衡常數只受溫度影響，結合絕熱容器中溫度變化，判斷平衡移動方向，再判斷平衡常數的變化；
（5）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；
（6）分析尿素結構可知，和羰基連接的氨基據此性質分析推斷．

解答 解：（1）反應Ⅰ：2NH₃（g）+CO₂（g）?NH₂COONH₄（s）△H₁=akJ•mol^-1
反應Ⅱ：NH₂COONH₄（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
依據蓋斯定律計算反應Ⅰ+反應Ⅱ得到：2NH₃（g）+CO₂（g）?CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g）△H₃=akJ•mol^-1+72.49kJ•mol^-1=-86.98kJ•mol^-1
a=-159.47akJ•mol^-1，
故答案為：-159.47；
（2）反應Ⅱ：NH₂COONH₄（s）?CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g）△H₂=+72.49kJ•mol^-1是氣體探究增大的吸熱反應，熵變△S＞0，焓變△H＞0，反應自發進行的判斷依據是△H-T△S＜0，則滿足此關系應是高溫條件下，反應自發進行，
故答案為：＞，高溫；
（3）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；
（4）反應Ⅰ：2NH₃（g）+CO₂（g）?NH₂CO₂NH₄（s）△H₁=-159.47kJ•mol^-1，平衡常數K=$\frac{1}{c（C{O}_{2}）{c}^{2}（N{H}_{3}）}$；反應若在絕熱容器中進行，隨著反應的進行，容器內溫度升高，平衡狀態會逆向移動，平常常數減小；故答案為：$\frac{1}{c（C{O}_{2}）{c}^{2}（N{H}_{3}）}$；減小；
（5）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：；
（6）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．

點評 本題考查了熱化學方程式書寫，反應自發進行的判斷依據，化學平衡的標志判斷，掌握基礎是解題關鍵，題目難度中等．