Question

6．工業(yè)生產(chǎn)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(shù)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(yè)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(yè)生產(chǎn)工藝中采用的溫度、壓強條件
C．圖中M、N、Q點平衡常數(shù)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(shù)K≈0.93
（3）尿素（H₂NCONH₂）是一種非常重要的高效氮肥，工業(yè)上以NH₃、CO₂為原料生產(chǎn)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(yè)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(yè)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?jīng)Q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在圖中畫出第二步反應的平衡常數(shù)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(jù)此判斷離子濃度大小；
（2）①依據(jù)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(yè)生產(chǎn)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(shù)為60%，根據(jù)反應N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）利用三段式計算；E、根據(jù)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(shù)；
（3）根據(jù)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?jīng)Q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(jù)第一步和第二步反應的曲線斜率比較大��；
②根據(jù)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(shù)增大，據(jù)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(shù)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(yè)生產(chǎn)工藝中采用的溫度、壓強條件，故B錯誤；
C、平衡常數(shù)與溫度有關，與其他條件無關，同一溫度下的平衡常數(shù)相同，反應是放熱反應，溫度越高平衡常數(shù)越小，上圖中M、N、Q點平衡常數(shù)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(shù)為60%，利用三段式，設H₂轉化率是x
根據(jù)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(shù)為20%，利用三段式，設N₂轉化率是b，N₂的起始濃度為a，
根據(jù)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(jù)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(shù)K=$\frac{（2ab）^{2}}{（a-ab）•（3a-3ab）^{3}}$=0.93，故E正確，
故選：ACDE；
（3）根據(jù)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(fā)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(fā)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(jù)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(shù)增大，所以第二步反應的平衡常數(shù)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(nèi)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(yǎng)了學生的分析、理解能力及化學計算能力．