Question

1．氨氣是一種重要的化工產品，在生產和科研中應用廣泛，氨氣是工業合成氨的原料之一，工業上制取氨氣有下列兩種途徑：
途徑一、用水和天然氣作原料一步反應制得
途徑二，用煤和水作原料經多步反應制得．
請回答下列問題：
（1）途徑一反應的還原產物是氫氣
（2）途徑二中的一步反應為：CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H＜0
①上述反應達到平衡后，為提高CO的轉化率，下列措施中正確的是BC（填寫序號）
A．增大壓強B．降低溫度C．增大H₂O（g）的濃度D．使用催化劑
②已知1000K時，上述反應的平衡常數K=0.627，若要使CO的轉化率超過90%，則起始無中c（H₂O）：c（CO）不低于13.8．
③在容積為2L的容器中發生上述反應，測得c（H）₂與反應時間t的變化曲線Ⅰ如圖1所示，若在t₀時刻將容器的體積擴大至4L，請在答題卡圖中繪出c（H₂）與反應時間變化的曲線Ⅱ
（3）目前常用氨氣處理硝酸生產的工業尾氣，在400℃左右且有催化劑存在的情況下，氨氣能把NO（g）還原成無色無毒氣體，直接排入空氣中，已知氫氣的燃燒熱為286kJ•mol^-1
N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H=-92.4kJ•mol^-1
N₂（g）+O₂（g）?2NO（g）△H=+180kJ•mol^-1
試寫出氨氣與NO（g）反應生成五毒氣體和液態水的熱化學方程式4NH₃（g）+6NO（g）═5N₂（g）+6H₂O（l）△H=-2071.2kJ•mol^-1
（4）工業上用氨和二氧化碳反應合成尿素，其反應為：2NH₃（g）+CO₂（g）?CO（NH₂）₂（l）+H₂O（g）生成過程中，原料原料氣�；煊兴�蒸氣，CO₂的轉化率與氨碳比$\frac{n（N{H}_{3}）}{n（C{O}_{2}）}$、水碳比$\frac{n（{H}_{2}O）}{n（C{O}_{2}）}$的變化關系如圖所示
①曲線Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ對應的水碳比最小的是Ⅰ．
②若B點氨的轉化率為60%，則x₁=2．
（5）某同學將NH3和CO2按物質的量之比2：1通入水中，充分反應所得溶液中NH${\;}_{4}^{+}$、CO${\;}_{3}^{2-}$、HCO${\;}_{3}^{-}$   三種離子濃度由大到小的順序是c（NH₄⁺）＞c（CO₃^2-）＞c（HCO₃^-）（已知：氨水、碳酸的電離平衡常數如表）

弱電解質	化學式	電離常數（K）
氨水	NH3•H2O	1.79×10-5
碳酸	H2CO3	K1=4.30×10-7
		K2=5.61×10-11

Answer 1

分析 （1）途徑一是用水和天然氣作原料一步反應制得氫氣，根據化合價判斷還原產物；
（2）①提高CO的轉化率可以使平衡正向進行，根據化學平衡移動原理來回答判斷；
②根據平衡常數用三段式法計算；
③體積增大2倍，濃度縮小2倍，壓強變小，但壓強對CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）的平衡無影響，所以達平衡時，氫氣的濃度是原平衡的一半，據此畫出c（H₂）與反應時間變化的曲線Ⅱ；
（3）氫氣的燃燒熱為286KJ/mol指的是1mol氫氣完全燃燒生成液態水時放熱286KJ，燃燒熱的熱化學方程式必須保持可燃物為1mol，故熱化學方程式為：H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（l）△H=-286KJ/mol，再根據蓋斯定律計算得出；
（4）①根據圖2可知，氨碳比一定時，水碳比越大，說明原料氣中含二氧化碳越少，二氧化碳的轉化率越低，所以二氧化碳轉化率最低的即為水碳比最大的；②B點二氧化碳的轉化率為60%，氨氣的轉化率是60%，設出NH₃、CO₂的起始物質的量，然后列式計算；
（5）將NH₃和CO₂按物質的量之比2：1通入水中，生成碳酸銨溶液，根據離子的水解程度比較溶液中c（NH₄⁺）、c（CO₃^2-）、c（HCO₃^-）．

解答 解：（1）途徑一是用水和天然氣作原料一步反應制得氫氣，氫的化合價降低，氫氣作還原產物，故答案為：氫氣；
（2）①提高CO的轉化率可以讓平衡正向進行即可：
A．增加壓強，該平衡不會發生移動，故A錯誤；
B．降低溫度，化學平衡向著放熱方向即正向進行，故B正確；
C．增大水蒸氣的濃度，化學平衡向著正方向進行，故C正確；
D．催化劑不會引起化學平衡的移動，故D錯誤；
故答案為：BC；
②設CO的起始濃度為xmol，H₂O的起始濃度為ymol，則轉化的CO的最小值為0.9x，
        CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）
起始   x              y                0              0
變化  0.9x        0.9x            0.9x          0.9x
平衡  0.1x      y-0.9x          0.9x         0.9x
根據平衡常數列式：$\frac{（0.9x）^{2}}{0.1x×（y-0.9x）}$=0.627，
解得：$\frac{y}{x}$=13.8，故此只要此值大于13.8，轉化率就會超過90%，
故答案為：13.8；
③體積增大2倍，濃度縮小2倍，壓強變小，但壓強對CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）的平衡無影響，所以達平衡時，氫氣的濃度是原平衡的一半，則c（H₂）與反應時間變化的曲線Ⅱ：；故答案為：；
（3）氫氣的燃燒熱為286kJ•mol^-1，則氫氣的燃燒的熱化學方程式為：
H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（l）△H=-286kJ•mol^-1①
N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H=-92.4kJ•mol^-1②
N₂（g）+O₂（g）?2NO（g）△H=+180kJ•mol^-1③
根據蓋斯定律①×6-②×2-③×3得4NH₃（g）+6NO（g）═5N₂（g）+6H₂O（l）△H=-2071.2kJ•mol^-1，
故答案為：4NH₃（g）+6NO（g）═5N₂（g）+6H₂O（l）△H=-2071.2kJ•mol^-1；
（4）①根據圖2可知，氨碳比一定時，水碳比越大，說明原料氣中含二氧化碳越少，二氧化碳的轉化率越低，所以二氧化碳轉化率最低的即為水碳比最大的，則曲線Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ對應的水碳比最小的是Ⅰ曲線，故答案為：Ⅰ；
②B點二氧化碳的轉化率為60%，氨氣的轉化率是60%，
設NH₃、CO₂的起始物質的量分別為x、y，
則：x×60%×$\frac{1}{2}$=y×60%，
解得：$\frac{x}{y}$=x₁=2，
故答案為：2；
（5）將NH₃和CO₂按物質的量之比2：1通入水中，生成碳酸銨溶液，銨根和碳酸根都水解，銨根的水解平衡常數K_h=$\frac{{K}_{W}}{{K}_{a}}$=$\frac{1{0}^{-14}}{1.79×1{0}^{-5}}$，碳酸根的水解平衡常數K_h=$\frac{{K}_{W}}{{K}_{a2}}$=$\frac{1{0}^{-14}}{5.61{×10}^{-11}}$，則碳酸根的水解程度大，銨根的水解程度小，溶液中的銨根濃度大于碳酸根，水解是弱水解，碳酸根的濃度大于碳酸氫根，則離子濃度大小關系為：c（NH₄⁺）＞c（CO₃^2-）＞c（HCO₃^-），故答案為：c（NH₄⁺）＞c（CO₃^2-）＞c（HCO₃^-）．

點評 本題綜合考查工業合成氨知識，涉及化學平衡、能量變化、鹽類的水解等問題，側重考查化學平衡移動在化學工藝中的應用以及化學平衡計算，題目難度較大．