Question

16．氨气在工农业生产中有着重要作用，请回答下列有关问题．
（1）用氨气制取尿素[CO（NH₂）₂]的反应方程式为：2NH₃（g）+CO₂（g）?CO（NH₂）₂（1）+H₂O（g）△H＜0．某温度下，向容积为100L的密闭容器中通入4mol NH₃和2molCO₂，该反应进行到40s时达到平衡，此时CO₂的转化率为50%．图1中的曲线表示该反应在前25s 内NH₃浓度随时间变化的图象．

①25-40s内NH₃的平均化学反应速率为3.3×10^-4mol/（L•s）（保留两位有效数字）．
②该温度下此反应的平衡常数为2500L²/mol²．
③请在图2中画出反应从25s延续至60s时c（NH₃）随时间变化的图象，并在其他条件不变的情况下画出使用催化剂时c（NH₃）随时间的变化图象．
（2）氨碳比[n（NH₃）/n（CO₂）]对合成尿素有影响，恒温恒容条件下将总物质的量为3mol的NH₃和CO₂的混合气体按不同氨碳比进行反应，结果如图1所示．a、b线分别表示CO₂、NH₃的转化率变化，c线表示平衡体系中尿素的质童分数变化．[n（NH₃）/n（CO₂）]=2时，尿素产量最大．
（3）工业生产中为提高尿素的产率可采取的措施有增大反应物浓度、增大压强、降低温度
（4）近期科学家发现微生物可将生产废水中的尿素直接转化为对环境友好的两种物质，其工作原理如图3所示．回答下列问题：
①N极为正极（填“正”或“负”），M电极反应式为：$CO（N{H}_{2}）_{2}+{H}_{2}O-6{e}^{-}=C{O}_{2}↑+{N}_{2}+6{H}^{+}$．
②N极消耗标准状况下33.6L气体时，M极理论上处理的尿素的质量为60g．

Answer 1

分析 （1）某温度下，向容积为100L的密闭容器中通入4mol NH₃和2molCO₂，该反应进行到40s时达到平衡，此时CO₂的转化率为50%，结合三行计算列式，
                            2NH₃（g）+CO₂（g）?CO（NH₂）₂（1）+H₂O（g）
起始量（mol）      4                 2                     0                           0
变化量（mol）      2                 1                      1                         1
平衡量（mol）      2                1                        1                         1
①25-40s内，根据图1，25s时，氨气浓度为25×10^-3mol/L，40s达到平衡，根据三段式，平衡时氨气的浓度为$c=\frac{2mol}{100L}=0.02mol/L$，25-40s内，氨气的浓度变化量为△c=25×10^-3-0.02=5×10^-3mol/L，平均化学反应速率为$\overline{r}=\frac{△c}{△t}$；
②根据平衡常数的表达式$K=\frac{c（{H}_{2}O）}{{c}^{2}（N{H}_{3}）c（C{O}_{2}）}$，代入数据计算即可；
③反应40s时已经达到平衡，40-60s内是一条水平线；催化剂能缩短反应到达平衡的时间，但不能改变化学反应的平衡状态，据此作图；
（2）c线表示的是平衡体系中尿素的百分含量，尿素的百分含量越大，则尿素的量也越大；
（3）联系常用提高反应物转化率的方法：增加原料的量，温度变化，压强变化等；
（4）①N极电极处O₂转化为H₂O，这个过程中O₂是得到电子的，因此N极应为原电池正极，M电极就为原电池负极，电极反应应为CO（NH₂）₂失去电子被氧化，考虑到转化为环境友好型物质，则产物为CO₂，N₂和H₂O；
②N极消耗标准状况下33.6L气体，即1.5molO₂，根据电子守恒，计算M极理论上处理的尿素的量．

解答 解：（1）①25-40s内，根据图1，25s时，氨气浓度为25×10^-3mol/L，根据三段式的结果，平衡时，即40s时，氨气浓度为$c=\frac{2mol}{100L}=0.02mol/L$，则氨气在25-40s内浓度变化量为△c=25×10^-3-0.02=5×10^-3mol/L，因此氨气的化学反应平均速率为$\overline{r}=\frac{△c}{△t}=\frac{5×1{0}^{-3}mol/L}{15s}=3.3×1{0}^{-4}$mol/（L•s）．故答案为：3.3×10^-4mol/（L•s）．
②反应为2NH₃（g）+CO₂（g）?CO（NH₂）₂（l）+H₂O（g），该反应的平衡常数为$K=\frac{c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）{c}^{2}（N{H}_{3}）}$，根据三段式结果，平衡时，$c（N{H}_{3}）=\frac{2mol}{100L}=0.02mol/L$，$c（C{O}_{2}）=\frac{1mol}{100L}=0.01mol/L$，$c（{H}_{2}O）=\frac{1mol}{100L}=0.01mol/L$，代入计算得$K=\frac{0.01mol/L}{0.01mol/L×（0.02mol/L）^{2}}$=2500L²/mol²．故答案为：2500L²/mol²．
③反应到达40s时已经达到了平衡，40s-60s内，各组分浓度已经不再发生变化了，图象是一条水平线，平衡时候，$c（N{H}_{3}）=20×1{0}^{-3}mol/L$，当使用催化剂时，催化剂能缩短反应到达平衡时的时间，但不改变平衡的状态，即平衡时候各组分浓度与未使用催化剂时完全一致．图象为，
故答案为：．
（2）c线表示的是平衡体系中尿素的百分含量，尿素的百分含量越大，则尿素的量也越大，尿素的产率也就越高，结合图象来看，当氨碳比$\frac{n（N{H}_{3}）}{n（C{O}_{2}）}=2$时，c线上最最高点，此时尿素的百分含量最高，尿素的产率也最高，产量为最大．故答案为：2；
（3）常用提高反应物转化率的方法：增加原料的量，温度变化，压强变化，因此工业上为提高尿素的产率，反应的焓变△H＜0，降低温度有利于反应正向进行；反应也为气体数减小的反应，降低压强也可促使平衡向右移动，可采取的措施有增大反应物浓度、增大压强、降低温度．故答案为：增大反应物浓度、增大压强、降低温度；
（4）①N极电极处O₂转化为H₂O，这个过程中O₂是得到电子的，因此N极应为原电池正极，M电极就为原电池负极，电极反应应为CO（NH₂）₂失去电子被氧化，考虑到转化为环境友好型物质，则产物为CO₂，N₂和H₂O，电极反应方程式为：$CO（N{H}_{2}）_{2}+{H}_{2}O-6{e}^{-}$═$C{O}_{2}↑+{N}_{2}↑+6{H}^{+}$．故答案为：正，$CO（N{H}_{2}）_{2}+{H}_{2}O-6{e}^{-}$═$C{O}_{2}↑+{N}_{2}↑+6{H}^{+}$；
②N极的电极反应方程式为：${O}_{2}+4{e}^{-}+4{H}^{+}=2{H}_{2}O$，根据电子守恒，存在反应关系为3O₂～～～～～～2CO（NH₂）₂，消耗33.6LO₂，即消耗氧气为$n（{O}_{2}）=\frac{33.6L}{22.4L/mol}=1.5mol$，则理论上可以处理尿素的物质的量为$n[（CO（N{H}_{2}）_{2}]=1.5mol×\frac{2}{3}=1mol$，其质量为m=1mol×60g/mol=60g．故答案为：60．

点评 本题考察了化学平衡三段式的应用，化学平衡常数的计算，化学平衡的移动，电化学的相关知识，题目较为综合，难度不大，是基础题．需注意，实验平衡常数是有单位的，需要带单位进行计算．