Question

9．二氧化碳是一种宝贵的碳氧资源．以C0₂和NH₃
为原料合成尿素是固定和利用C0₂的成功范例．在尿素合成塔中的主要反应可表示如下：
反应I：2NH₃（g）+CO₂（g）?NH₂COONH ₄（s）△H₁=akJ．mol^-1
反应Ⅱ：NH₂COONH ₄（s）?CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g））△H₂=+72.49kJ．mol^-1
总反应：2NH₃（g）+CO₂（g）?CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g））△H₃=-86.98kJ．mol^-1
请回答下列问题：
（1）反应I的△H₁=-159.47kJ．mol^-1（用具体数据表示）．
（2）反应Ⅱ的△S＞（填“＞”或“＜”）0，一般在高温（填“高温”或“低温”）情况下有利于该反应的进行．
（3）-定温度下在体积为VL的容器中进行反应I，下列能说明反应达到平衡状态的是_BD_（填字母序号）．
A．混合气体的平均相对分子质量不再变化
B．容器内气体总压强不再变化
C．2v_正（ NH₃）=v_逆（CO₂）
D．容器内混合气体的密度不再变化
（4）25℃时，将体积比为2：1的NH₃和CO₂混合气体充人一个容积不变的真空密闭容器中，在恒定温度下使其发生反应I并达到平衡．测得平衡时混合气体的总浓度为4.8×10-3mol．L^-1．则此温度下，反应I的平衡常数为6.1×10⁷（L•mol^-1）³．
（5）总反应中影响CO：平衡转化率的因素很多，下图为某特定条件下，不同水碳比$\frac{n（{H}_{2}O）}{n（C{O}_{2}）}$和温度影响CO₂平衡转化率变化的曲线．
①其它条件相同时，为提高CO₂的平衡转化率，生产中可以采取的措施是降低（填“提高”或“降低”）水碳比．
②当温度高于190℃后，CO₂平衡转化率出现如图所示变化趋势的原因是温度高于190℃时，因为反应Ⅲ是放热反应，温度升高平衡向逆方向进行，CO₂的平衡转化率降低．
③不同的氨碳比（ $\frac{n（N{H}_{3}）}{n（C{O}_{2}）}$）对C0₂的转化率也有影响，若开始以氨碳比等于3进行总反应，达平衡时NH₃的转化率为40%，则C0₂的平衡转化率为60%．

Answer 1

分析 （1）依据热化学方程式和盖斯定律计算分析；
（2）反应Ⅱ吸热反应，依据反应自发进行的判断依据是△H-T△S＜0分析；
（3）根据平衡状态的特征，反应处于平衡状态时，正逆反应速率相等，各组成成分保持不变，反应的某些外部特征也不再随时间的变化而变化，据此判断；
（4）平衡常数为产物浓度系数次幂的乘积与反应物浓度系数次幂的乘积的比值；
（5）①不同水碳比$\frac{n（{H}_{2}O）}{n（C{O}_{2}）}$和温度影响CO₂平衡转化率变化的趋势曲线分析可知，
②反应Ⅲ是放热反应，升温平衡逆向进行；
③总反应为2NH₃（g）+CO₂（g）?CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g），$\frac{n（N{H}_{3}）}{n（C{O}_{2}）}$=3，设起始二氧化碳的浓度为amol/L，则氨的起始浓度为3amol/L，当氨气的转化率为40%时，则参加反应的二氧化碳的浓度为0.6amol/L，据此计算二氧化碳的转化率；

解答 解：（1）反应Ⅰ：2NH₃（g）+CO₂（g）?NH₂CO₂NH₄（s）△H₁=a kJ•mol^-1
反应Ⅱ：NH₂CO₂NH₄（s）?CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g）△H₂=+72.49kJ•mol^-1
总反应Ⅲ：2NH₃（g）+CO₂（g）?CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g）△H₃=-86.98kJ•mol^-1
由盖斯定律总反应Ⅲ-反应Ⅱ，得到2NH₃（g）+CO₂（g）?NH₂CO₂NH₄（s）△H₁=a=-159.47kJ•mol^-1，
故答案为：-159.47；
（2）反应Ⅱ：NH₂CO₂NH₄（s）?CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g）△H₂=+72.49kJ•mol^-1，反应前后气体体积增大，△S＞0，焓变分析可知是吸热反应，△H＞0，所以依据反应自发进行的判断依据△H-T△S＜0，需要在高温下反应自发进行，
故答案为：＞；高温；
（3）A．反应I中反应物为气体，生成全部为固体，所以在反应前后，混合气体的平均相对分子质量保持不变，所以不能作为平衡状态的判断标志，故A错误；
B．反应I中，气体的物质的量减小，所以反应的压强减小，所以容器内气体总压强不再变化时，说明反应处于平衡状态，故B正确；
C．反应处于平衡状态时v_正（ NH₃）=2v_逆（CO₂），故C错误；
D．反应I中，容器体积不变，气体质量减小，所以当容器内混合气体的密度不再变化时，说明反应处于平衡状态，故D正确；
故选BD；
（4）将体积比为2：1的NH₃和CO₂混合气体充人一个容积不变的真空密闭容器中，反应中NH₃和CO₂的浓度之比为2：1，所以平衡衡时二者浓度之比仍为2：1，所以平衡时二者浓度分别为：c（NH₃）=3.2×10^-3mol/L，c（CO₂）=1.6×10^-3mol/L，所以K=$\frac{1}{（3.2×10{\;}^{-3}mol/L）{\;}^{2}•（1.6×10{\;}^{-3}mol/L）}$=6.1×10⁷（L•mol^-1）³，
故答案为：6.1×10⁷（L•mol^-1）³；
（5）①反应Ⅲ：2NH₃（g）+CO₂（g）?CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g）△H₃=-86.98kJ•mol^-1，其他条件相同时，为提高CO₂的平衡转化率，平衡正向进行，依据图象中的水碳比数据分析判断，生产中可以采取的措施是降低水碳比，二氧化碳转化率增大，
故答案为：降低；
②反应Ⅲ：2NH₃（g）+CO₂（g）?CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g）△H₃=-86.98kJ•mol^-1，是放热反应，升温高于190°C，依据图象分析可知，二氧化碳转化率减小，因为温度升高，平衡逆向进行，
故答案为：温度高于190℃时，因为反应Ⅲ是放热反应，温度升高平衡向逆方向进行，CO₂的平衡转化率降低；
③总反应为2NH₃（g）+CO₂（g）?CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g），$\frac{n（N{H}_{3}）}{n（C{O}_{2}）}$=3，设起始二氧化碳的浓度为amol/L，则氨的起始浓度为3amol/L，当氨气的转化率为40%时，则参加反应的二氧化碳的浓度为0.6amol/L，所以平衡时二氧化碳的转化率为$\frac{0.6amol/L}{6amol/L}$×100%=60%，
故答案为：60%；

点评 本题考查了热化学方程式和盖斯定律的计算应用，化学平衡影响因素分析判断，平衡常数，图象分析，掌握基础知识，推断物质结构是关键，题目难度中等．