Question

7．尿素[CO（NH₂）₂]是一種非常重要的高氮化肥，以天然氣（含H₂S）為原料合成尿素的主要步驟如圖1所示（圖中某些轉化步驟未列出）．

請回答下列問題：
（1）反應①的離子方程式是CO₃^2-+CO₂+H₂O═2HCO₃^-
（2）天然氣脫硫后產生的Fe₂S₃和H₂O與0₂反應的化學方程式是2Fe₂S₃+6H₂O+3O₂═4Fe（OH）₃+6S．
（3）反應②N₂+3H₂?2NH₃△H＜0，溫度升高，該反應的平衡常數減小 （填“增大”、“減小”或“不     變”）．如   該反應在恒容恒溫條件下進行，下列說法能判斷達到平衡的是AC．
A．單位時間內生成nmol N₂同時消耗3nmol H₂ 
B．混合氣體的密度不變
C．混合氣體的平均摩爾質量不變             
D．N₂、H₂、NH₃濃度之比為1：3：2
（4）H₂NCOONH₄ （氨基甲酸銨）是合成尿素的中間體，H₂NCOONH₄在水溶液中要發生水解反應，其水解反應的離子方程式為：H₂NCOO^-+NH₄⁺+H₂O?H₂NCOOH+NH₃•H₂O．
（5）如果整個生產過程釆用綠色化學工藝，則生產120t尿素理論上需要CH₄4.48×10⁴_m³ （標準狀況）．
（6）化學家正在研究尿素動力燃料電池，尿液也能發電！用這種電池直接去除城市廢水中的尿素，既能產生凈化的水又能發電．尿素燃料電池結構如圖2所示，工作時負極的電極反應式為CO（NH₂）₂+H₂O-6e^-═N₂↑+CO₂↑+6H⁺．

Answer 1

分析 以天然氣（含H₂S）為原料，加入氫氧化鐵脫硫得到甲烷和Fe₂S₃，通入氧氣發生反應生成氫氧化鐵和硫單質，氫氧化鐵循環使用，甲烷和空氣水混合反應得到氮氣、二氧化碳和氫氣，通入碳酸鉀溶液發生反應得到碳酸氫鉀，高溫分解生成二氧化碳，氮氣和氫氣一定條件下反應生成氨氣，二氧化碳和氨氣反應得到尿素；
（1）反應①發生二氧化碳與碳酸鉀溶液反應生成碳酸氫鉀；
（2）Fe₂S₃和H₂O與0₂反應生成氫氧化鐵和S；
（3）反應②為合成氨的反應，放熱反應，溫度升高，平衡逆向移動；可逆反應N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）達到平衡狀態，一定滿足正逆反應速率相等，反應體系中各組分的濃度、百分含量不再變化；該反應是氣體體積縮小的反應，反應過程中壓強會發生變化，據此進行判斷；
（4）由C原子守恒可知，CH₄～CO₂～CO（NH₂）₂，以此計算；
（5）尿素燃料電池中尿素再負極上失去電子生成氮氣、二氧化碳．

解答 解：（1）反應①發生二氧化碳與碳酸鉀溶液反應生成碳酸氫鉀，其離子反應為CO₃^2-+CO₂+H₂O═2HCO₃^-，
故答案為：CO₃^2-+CO₂+H₂O═2HCO₃^-；
（2）Fe₂S₃和H₂O與0₂反應生成氫氧化鐵和S，該反應為2Fe₂S₃+6H₂O+3O₂═4Fe（OH）₃+6S，
故答案為：2Fe₂S₃+6H₂O+3O₂═4Fe（OH）₃+6S；
（3）反應②為合成氨的反應，放熱反應，溫度升高，平衡逆向移動，則平衡常數K減小，N₂+3H₂?2NH₃ △H＜0，反應是氣體體積減小的放熱反應，
A．反應速率之比等于化學方程式計量數之比，單位時間內生成nmol N₂同時消耗3nmol H₂，說明正逆反應速率相同，反應達到平衡狀態，故A正確；
B．反應前后氣體質量和體積不變，混合氣體的密度始終不變，不能說明反應達到平衡狀態，故B錯誤；
C．反應前后氣體物質的量發生變化，氣體質量不變混合氣體的平均摩爾質量不變 說明反應達到平衡狀態，故C正確；
D．N₂、H₂、NH₃濃度之比為1：3：2不能說明反應達到平衡狀態，故D錯誤；
故答案為：減小，AC；
（4）H₂NCOONH₄ （氨基甲酸銨）是合成尿素的中間體，H₂NCOONH₄在水溶液中要發生水解反應生成氨基甲酸和一水合氨，反應的離子方程式為：H₂NCOO^-+NH₄⁺+H₂O?H₂NCOOH+NH₃^●H₂O，
故答案為：H₂NCOO^-+NH₄⁺+H₂O?H₂NCOOH+NH₃^●H₂O；
（5）由C原子守恒可知，CH₄～CO₂～CO（NH₂）₂，則生產120t尿素理論上需要CH₄為$\frac{120×1{0}^{6}g}{60g/mol}$×22.4L/mol×10^-3m³=4.48×10⁴m³，
故答案為：4.48×10⁴；
（6）尿素燃料電池中尿素再負極上失去電子生成氮氣、二氧化碳，負極反應為CO（NH₂）₂+H₂O-6e^-═N₂↑+CO₂↑+6H⁺，
故答案為：CO（NH₂）₂+H₂O-6e^-═N₂↑+CO₂↑+6H⁺．

點評 本題以尿素的合成為信息考查化學用語及化學平衡、電化學等知識，綜合性較強，題目難度中等，（5）為學生解答的難點和易錯點．