Question

7．氮及其化合物在生產(chǎn)、生活中有著重要作用．
（1）1909年化學(xué)家哈伯在實(shí)驗(yàn)室首次合成了氨，2007年化學(xué)家格哈德•埃特爾在哈伯研究所證實(shí)了N₂與H₂在固體催化劑表面合成氨的反應(yīng)過程．示意圖如下（分別表示N₂、H₂、NH₃）：
圖②表示N₂、H₂被吸附在催化劑表面，圖⑤表示生成的NH₃離開催化劑表面，則圖③表示在催化劑表面N₂、H₂分子中的化學(xué)鍵斷裂，生成N原子和H原子．
（2）NaNO₂是一種食品添加劑（有毒性，市場上常誤與食鹽混淆）．酸性KMnO₄溶液與NaNO₂反應(yīng)的離子方程式是：MnO₄^-+NO₂^-+X→Mn²⁺+NO₃^-+H₂O （未配平）．下列有關(guān)敘述正確的是b．
a．NaNO₂屬于硝酸鹽          b．生成1mol NaNO₃需消耗0.4mol KMnO₄
c．反應(yīng)過程中溶液的pH減小   d．X表示的粒子是OH^-
（3）工業(yè)生產(chǎn)以NH₃和CO₂為原料合成尿素[CO（NH₂）₂]，反應(yīng)的化學(xué)方程式為：2NH₃（g）+CO₂（g）?CO（NH₂）₂（l）+H₂O（l）．
①已知該反應(yīng)平衡常數(shù)K_195℃＜K_165℃，則該反應(yīng)的△H＜0（填“＞”“=”或“＜”）．
②T₁℃時，在2L的密閉容器中充入NH₃和CO₂模擬工業(yè)生產(chǎn)，若原料氣中的NH₃和CO₂的物質(zhì)的量之比（氨碳比）$\frac{n（N{H}_{3}）}{n（C{O}_{2}）}$=x，如圖是CO₂平衡轉(zhuǎn)化率（α） 與氨碳比（x）的關(guān)系．
其它條件不變時，α隨著x增大而增大的原因是x增大，相當(dāng)于c（NH₃）增大，CO₂轉(zhuǎn)化率增大；圖中的B點(diǎn)處NH₃的平衡轉(zhuǎn)化率為25%．
③當(dāng)x=2，上述反應(yīng)至5min時各物質(zhì)的濃度不再發(fā)生變化，測得體系壓強(qiáng)變?yōu)殚_始時的$\frac{2}{3}$．反應(yīng)結(jié)束后，分離得到90g尿素．
計(jì)算0～5min內(nèi)該反應(yīng)的平均速率υ（CO₂）=0.15mol•L^-1•min^-1，該反應(yīng)的平衡常數(shù)K=0.074，達(dá)到平衡后NH₃的物質(zhì)的量濃度為3 mol•L^-1．

Answer 1

分析 （1）圖②是表示N₂、H₂被吸附在催化劑的表面，圖⑤表示生成的NH₃離開催化劑表面，圖③則表示在催化劑表面，N₂、H₂中的化學(xué)鍵斷裂；
（2）該反應(yīng)中錳元素化合價(jià)由+7價(jià)變?yōu)?2價(jià)，N元素化合價(jià)由+3價(jià)變?yōu)?5價(jià)，結(jié)合元素守恒、硝酸鈉和高錳酸鉀之間的關(guān)系式分析解答；
（3）①依據(jù)平衡常數(shù)隨溫度變化分析判斷反應(yīng)吸熱、放熱；
②增大反應(yīng)物濃度，平衡正向進(jìn)行，依據(jù)x含義和圖象數(shù)據(jù)分析結(jié)合化學(xué)方程式換算氨氣轉(zhuǎn)化率；
③當(dāng)x=2，原料氣中的NH₃和CO₂的物質(zhì)的量之比為2，設(shè)二氧化碳物質(zhì)的量為m，氨氣物質(zhì)的量為2m，上述反應(yīng)至5min時各物質(zhì)的濃度不再發(fā)生變化，反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，測得體系壓強(qiáng)變?yōu)殚_始時的$\frac{2}{3}$，氣體壓強(qiáng)之比等于氣體物質(zhì)的量之比，反應(yīng)結(jié)束后，分離得到90g尿素，物質(zhì)的量n（CO（NH₂）₂）=$\frac{90g}{60g/mol}$=1.5mol，消耗氨氣物質(zhì)的量為3mol，消耗二氧化碳物質(zhì)的量為1.5mol，利用化學(xué)平衡三行計(jì)算列式計(jì)算，
             2NH₃（g）+CO₂（g）?CO（NH₂）₂（l）+H₂O（l），
起始量（mol）  2m       m        0              0
變化量（mol）  3        1.5     1.5            1.5
平衡量（mol）  2m-3    m-1.5    1.5            1.5
反應(yīng)速率V=$\frac{△c}{△t}$，
平衡常數(shù)K=$\frac{生成物平衡濃度冪次方乘積}{反應(yīng)物平衡濃度冪次方乘積}$，
c=$\frac{n}{V}$．

解答 解：（1）分析題中圖可以知道，圖②表示N₂、H₂被吸附在催化劑表面，而圖③表示在催化劑表面，N₂、H₂中化學(xué)鍵斷裂，
故答案為：在催化劑表面N₂、H₂分子中的化學(xué)鍵斷裂，生成N原子和H原子；
（2）a．該反應(yīng)中N元素化合價(jià)+3價(jià)為亞硝酸鹽，故a錯誤；
b．根據(jù)轉(zhuǎn)移電子守恒得，生成1molNaNO₃需消耗KMnO₄的物質(zhì)的量=$\frac{1mol（5-3）}{7-2}$=0.4mol，故b正確；
c．根據(jù)元素守恒、電荷守恒知，K是H⁺，氫離子參加反應(yīng)導(dǎo)致溶液中氫離子濃度降低，則溶液的pH增大，故c錯誤；
d．根據(jù)元素守恒、電荷守恒知，□中的粒子是H⁺，故d錯誤；
故選b．
（3）①平衡常數(shù)隨溫度升高減小，說明正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，△H＜0，故答案為：＜；
②2NH₃ （g）+CO₂ （g）?CO（NH₂）₂ （l）+H₂O （l），圖象分析判斷，增大氨氣濃度平衡正向進(jìn)行，二氧化碳轉(zhuǎn)化率增大，B點(diǎn)處x=4，原料氣中的NH₃和CO₂的物質(zhì)的量之比為4，二氧化碳轉(zhuǎn)化率為50%，假設(shè)氨氣為4mol，二氧化碳為1mol，則反應(yīng)的二氧化碳為0.5mol，
依據(jù)化學(xué)方程式2NH₃（g）+CO₂（g）?CO（NH₂）₂（l）+H₂O（l）反應(yīng)的氨氣為1.0mol，
NH₃的平衡轉(zhuǎn)化率=$\frac{1.0mol}{4mol}$×100%=25%，
故答案為：x增大，相當(dāng)于c（NH₃）增大，CO₂轉(zhuǎn)化率增大，25%；
③當(dāng)x=2，原料氣中的NH₃和CO₂的物質(zhì)的量之比為2，設(shè)二氧化碳物質(zhì)的量為m，氨氣物質(zhì)的量為2m，上述反應(yīng)至5min時各物質(zhì)的濃度不再發(fā)生變化，反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，測得體系壓強(qiáng)變?yōu)殚_始時的$\frac{2}{3}$，氣體壓強(qiáng)之比等于氣體物質(zhì)的量之比，反應(yīng)結(jié)束后，分離得到90g尿素，物質(zhì)的量n（CO（NH₂）₂）=$\frac{90g}{60g/mol}$=1.5mol，消耗氨氣物質(zhì)的量為3mol，消耗二氧化碳物質(zhì)的量為1.5mol，利用化學(xué)平衡三行計(jì)算列式計(jì)算，
             2NH₃（g）+CO₂（g）?CO（NH₂）₂（l）+H₂O（l），
起始量（mol）  2m       m        0              0
變化量（mol）  3        1.5     1.5            1.5
平衡量（mol）  2m-3    m-1.5    1.5            1.5
測得體系壓強(qiáng)變?yōu)殚_始時的$\frac{2}{3}$，氣體壓強(qiáng)之比等于氣體物質(zhì)的量之比，2m-3+m-1.5=$\frac{2}{3}$×（2m+m）
m=4.5mol
二氧化碳反應(yīng)速率V=$\frac{△c}{△t}$=$\frac{\frac{1.5mol}{2L}}{5min}$=0.15mol/L•min，
平衡時氨氣的濃度=$\frac{2×4.5mol-3mol}{2L}$=3mol/L，CO₂的濃度=$\frac{4.5mol-1.5mol}{2L}$=1.5mol/L
平衡常數(shù)K=$\frac{1}{{3}^{3}×1.5}$=0.074，
達(dá)到平衡后NH₃的物質(zhì)的量濃度=$\frac{2×4.5mol-3mol}{2L}$=3mol/L，
故答案為：0.15mol•L^-1•min^-1，0.074，3 mol•L^-1．

點(diǎn)評 本題考查了氧化還原反應(yīng)、化學(xué)反應(yīng)速率、化學(xué)平衡的計(jì)算、物質(zhì)轉(zhuǎn)化率等知識的應(yīng)用，主要是概念的理解應(yīng)用，題目難度中等．