Question

【题目】以二氧化碳为原料制备尿素工艺被广泛研究。其反应机理为：

反应Ⅰ：CO2(g)+2NH3(g)NH2COONH4(l) H1=－117.2 kJ·mol1

反应Ⅱ：NH2COONH4(l)NH2CONH2(l)+H2O(l) H2= +15.0 kJ·mol1

（1）反应Ⅰ平衡常数K的表达式为_____________。

（2）由CO2(g)和NH3(g)合成尿素NH2CONH2(l)的热化学方程式是__________。

（3）在恒容容器中按物质的量之比1∶2通入CO2和NH3，下列不能说明合成尿素反应达平衡状态的是_________。

A.容器中气体平均相对分子质量不再变化

B.容器中气体密度不再变化

C.NH3的体积分数不再变化

D.容器内压强不再变化

（4）通过实验发现，其他条件不变时，改变NH3、CO2的物质的量之比可增加尿素的产率，如图为与尿素产率的关系曲线。通过曲线可知：______________过量对尿素产率的影响比较小。若在固定容器中按等于3.0通入CO2和NH3，则合成尿素反应达平衡后，混合气体中CO2的物质的量分数为________（精确到0.1%）。

（5）探究发现，温度、压强、n(H2O)条件对合成尿素反应的影响如图1、图2，根据图像回答下列问题：

①其他条件不变时，对于合成尿素的反应，若通入CO2物质的量一定，按三种投料比[分别为 3.0、3.5、4.0]投料时，得到如图1的横轴对CO2的平衡转化率的影响曲线。曲线A对应的投料比是________。

②图2中a、b、c、d 四条曲线中的两条代表压强分别为20 MPa、25 MPa时CO2平衡转化率曲线，其中表示20MPa的是_________（填字母）。在实际生产中采用图2中M点而不是N点对应的反应条件，运用化学反应速率和平衡知识，同时考虑生产实际，说明选择该反应条件的主要原因是________。

Answer 1

【答案】K= CO2(g)+2NH3(g)NH2CONH2(l)+H2O(l) ΔH=－102.2 kJ·mol1 AC CO2 18.2% 4.0 a 与300 ℃相比，200 ℃时CO2的平衡转化率更高；虽然压强越大、温度越高反应速率越快，但200 ℃、20 MPa条件下，对设备要求低，有利于降低成本

【解析】

（1）反应中有固体或纯液体参加，则它们的浓度不应写在平衡常数的表达式中，NH2COONH4(l)是纯液体，则反应Ⅰ的平衡常数表达式为K=；答案为：K=；

（2）根据盖斯定律，反应Ⅰ+反应Ⅱ得：CO2(g)+2NH3(g)NH2CONH2(l) +H2O(l) ΔH= H1+H2=－117.2 kJ·mol1+(+15.0 kJ·mol1)=－102.2 kJ·mol1。答案为：CO2(g)+2NH3(g)NH2CONH2(l) +H2O(l) ΔH=－102.2 kJ·mol1；

（3）A．由于该混合气体反应前后均是CO2和NH3，且体积分数之比恒为1∶2，故容器中气体平均相对分子质量恒定不变，不能说明反应达到平衡；A项错误；

B．容器中气体密度等于气体质量除以容器体积，由于气体总质量在减少，故气体密度不再变化时，反应达到平衡；B项正确；

C．整个反应过程NH3的体积分数恒定为，故不能说明达到平衡；C项错误；

D．压强与气体总物质的量相关，由于气体总物质的量在变化，故容器内压强不变时，说明反应达到平衡。D项正确；

答案为A、C。

（4）根据曲线可知，CO2过量，尿素产率由42%增加至45%，而NH3过量，尿素产率由42%增加至接近90%，故CO2过量对尿素产率的影响比较小。根据图像知，=3时，尿素产率为60%，可转化为CO2转化率为60%，再利用三段式求解。

设反应中CO2投入了amol，NH3投入了3amol，则有：

CO2 (g) + 2NH3(g)NH2CONH2(l) + H2O(l)

则混合气体中CO2的物质的量分数为，答案为：18.2%；

（5）①当一定时，比值越大，即NH3越多，CO2span>转化率越大，故A曲线代表比值为4.0。答案为：4.0；

②由于合成尿素反应CO2(g)+2NH3(g)NH2CONH2(l)+H2O(l) ΔH=－102.2 kJ·mol1是一个放热反应，因此温度升高，平衡逆向移动，CO2的平衡转化率降低，从曲线a，b中选择。当温度一定，压强增大，平衡正向移动，CO2的平衡转化率增大，故20 MPa条件下的曲线为a。M点条件为200 ℃，20MPa；N点条件为300 ℃，25 MPa。与300℃相比，200℃时CO2的平衡转化率更高；虽然压强越大、温度越高反应速率越快，但200℃、20MPa条件下，对设备要求低，有利于降低成本。答案为：a；与300℃相比，200℃时CO2的平衡转化率更高；虽然压强越大、温度越高反应速率越快，但200℃、20MPa条件下，对设备要求低，有利于降低成本。