Question

18．尿素又称碳酰胺，是一种氮肥，工业上利用CO₂和NH₃在一定条件下合成尿素．
（1）工业上利用二氧化碳和氨气合成尿素，其反应分为如下两步：

若按如图1物质的状态，反应i生成1mol氨基甲酸铵放出能量为272kJ，而1mol氨基甲酸铵分解需吸收138kJ的能量．
①写出CO₂（g）与NH₃（l）合成尿素的热化学方程式为2NH₃（g）+CO₂（g）?CO（NH₂）₂（s）+H₂O（l）△H=-134kJ/mol．
②总反应的平衡常数表达式K=$\frac{1}{{c}^{2}（N{H}_{3}）•c（C{O}_{2}）}$．
（2）某小组模拟工业合成尿素的反应．在恒温恒容条件，反应物总物质的量恒定为3mol，以不同的氨碳比充入体系进行反应，测得平衡体系中各组分的变化如图2．图3为n（NH₃）/n（CO₂）=4时，测得各组分物质的量的变化．

①观察图3判断合成尿素总反应的快慢由反应ii （填“ⅰ”或“ⅱ”）决定．
②若起始温度相同，反应改为在绝热（与外界没有热量交换）容器中进行，平衡常数K_i将减少（填增大、减少、不变）．
③若图2中a、b线分别表示反应物转化率的变化，c线表示平衡体系中尿素物质的量分数的变化，则图中表示NH₃转化率的曲线是b（填a或b）线；M点对应的y值=36.4．
④若其他条件不变，下列措施能同时提高化学反应速率和尿素产率的是B
A．通入氦气      B．缩小体积        C．加入催化剂     D．除去体系中的水蒸气
（3）CO₂是合成尿素的原料．
①华盛顿大学的研究人员研究出一种方法，可实现水泥生产时CO₂零排放，其基本原理如图4所示，电解质为熔融碳酸钠．电解反应在温度小于900℃时碳酸钙先分解为CaO和CO₂，则阳极的电极反应式为2CO₃^2--4e^-=2CO₂↑+O₂↑．
②25℃，图5是CO₂水溶液中含碳元素成分微粒的含量随pH变化曲线．求该温度下碳酸二级电离常数K₂=10^-10.2．

Answer 1

分析 （1）①题目所给的反应流程中物质状态和数据，可知2mol氨气与1molCO₂完全反应生成最后产物放出能量为（272-138）kJ，然后写出热化学方程式；
②生成物为纯液体和纯固体，结合平衡常数的含义书写；
（2）①分析图2可知在10几分钟时NH₃和CO₂浓度不再变化，其他物质还在变化，说明反应ii更慢；
②因为反应为放热反应，升高温度，平衡逆移；
③因为NH₃和CO₂物质的量总和不变，增加一种反应物的量可以提高其他反应物转化率，由此可知随着n（NH₃）/n（CO₂）增大，NH₃转化率减小，图中b为NH₃转化率，由图上可知NH₃转化率为80%，计算可知，平衡时NH₃、CO₂、CO（NH₂）₂、H₂O物质的量分别为0.4mol、0.2mol、0.8mol、0.8mol；
④A．恒容时通入氦气不影响速率和平衡；
B．缩小体积可以加快速率促使平衡向右移动；
C．加入催化剂反应速率加快；
D．除去体系中的水蒸气减小反应速率，但平衡向右移动；
（3）①由图分析可知高温下CaCO₃分解生成CaO、CO₂，CO₂参与阴极反应生成C，熔融的碳酸钠电解质电离出的CO₃^2-离子在阴极上得电子产生O₂；
②根据碳酸的K_a2=$\frac{[C{{O}_{3}}^{2-}][{H}^{+}]}{[HC{{O}_{3}}^{-}]}$，结合图象计算．

解答 解：（1）①题目所给的反应流程中物质状态和数据，可知2mol氨气与1molCO₂完全反应生成最后产物放出能量为（272-138）kJ，则热化学方程式为2NH₃（g）+CO₂（g）?CO（NH₂）₂（s）+H₂O（l）△H=-134kJ/mol；
故答案为：2NH₃（g）+CO（g）?CO（NH₂）₂（s）+H₂O（l）△H=-134kJ/mol；
②总反应为2NH₃（g）+CO₂（g）?CO（NH₂）₂（s）+H₂O（l），则反应的平衡常数为K=$\frac{1}{{c}^{2}（N{H}_{3}）•c（C{O}_{2}）}$；
故答案为：$\frac{1}{{c}^{2}（N{H}_{3}）•c（C{O}_{2}）}$；
（2）①分析图2可知在10几分钟时NH₃和CO₂浓度不再变化，其他物质还在变化，说明反应ii更慢，所以反应ii决定总反应的速率；
故答案为：ii；
②因为该反应为放热反应，起始温度相同，在绝热容器中进行，反应体系温度上升，平衡逆移，K减少；
故答案为：减少；
③因为NH₃和CO₂物质的量总和不变，增加一种反应物的量可以提高其他反应物转化率，由此可知随着n（NH₃）/n（CO₂）增大，NH₃转化率减小，图中b为NH₃转化率．由图上可知NH₃转化率为80%，计算可知，平衡时NH₃、CO₂、CO（NH₂）₂、H₂O物质的量分别为0.4mol、0.2mol、0.8mol、0.8mol则CO（NH₂）₂的物质的量分数为$\frac{0.8mol}{0.2mol+0.4mol+0.8mol+0.8mol}$×100%=36.4%；
故答案为：36.4%；
④A．恒容时通入氦气不影响速率和平衡，反应各物质的浓度不变，反应速率不变，化学平衡不移动，尿素产率不变，故A不选；
B．缩小体积，压强增大，可以加快速率，促使平衡向右移动，故B选；
C．加入催化剂反应速率加快，化学平衡不移动，所以尿素产率不变，故C不选；
 D．除去体系中的水蒸气减小反应速率，但平衡向右移，能提高尿素的产率，故D不选；
故答案为：B；
（3）①由图分析可知高温下CaCO₃分解生成CaO、CO₂，CO₂参与阴极反应生成C，熔融的碳酸钠电解质电离出的CO₃^2-离子在阴极上得电子产生O₂，电极反应式为2CO₃^2--4e^-=2CO₂↑+O₂↑；
故答案为：2CO₃^2--4e^-=2CO₂↑+O₂↑；
②碳酸的K_a2=$\frac{[C{{O}_{3}}^{2-}][{H}^{+}]}{[HC{{O}_{3}}^{-}]}$，当[CO₃^2-]=[HCO₃^-]时，K_a2=[H⁺]，由图上曲线可知交点b为[CO₃^2-]=[HCO₃^-]，此处pH=10.2，即[H⁺]=10^-10.2mol/L，则K_a2=10^-10.2；故答案为：10^-10.2．

点评 本题考查了热化学方程式的书写、影响反应速率和化学平衡的因素、化学平衡计算、电解原理的应用等，题目难度中等，侧重于考查学生的分析能力、计算能力和对基础知识的综合应用能力．