Question

2．二氧化碳是一种宝贵的碳氧资源．以CO₂和NH₃为原料合成尿素是固定和利用CO₂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）?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
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Ⅲ中影响CO₂平衡转化率的因素很多，下图1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平衡转化率变化的趋势曲线．
①其他条件相同时，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1所示的变化趋势，其原因是温度高于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）反应Ⅰ的平衡常数表达式K₁=$\frac{1}{c（CO{\;}_{2}）c{\;}^{2}（NH{\;}_{3}）}$．
（4）某研究小组为探究反应Ⅰ中影响c（CO₂）的因素，在恒温下将0.4molNH₃和0.2molCO₂放入容积为2L的密闭容器中，t₁时达到平衡过程中c（CO₂）随时间t变化趋势曲线如上图2所示．若其他条件不变，t₁时将容器体积压缩到1L，请画出t₁后c（CO₂）随时间t变化趋势曲线（t₂达到新的平衡）．
（5）尿素在土壤中会发生反应CO（NH₂）₂+2H₂O?（NH₄）₂CO₃．下列物质中与尿素有类似性质的是A、B．
A．NH₂COONH₄ B．H₂NOCCH₂CH₂CONH₂ C．HOCH₂CH₂OH  D．HOCH₂CH₂NH₂
（6）某研究小组为探究反应III中氨碳比的影响，图3为某特定条件下，当氨碳比$\frac{n（NH3）}{n（CO2）}$=4，CO₂的转化率随时间的变化关系．
①A点的逆反应速率v_逆（CO₂）小于B点的正反应速率为v_正（CO₂）（填“大于”、“小于”或“等于”）
②NH₃的平衡转化率为30%．
（7）人工肾脏可用间接电化学方法除去代谢产物中的尿素，原理如图4．阳极室中发生的反应为6Cl^--6e^-═3Cl₂↑、CO（NH₂）₂+3Cl₂+H₂O═N₂+CO₂+6HCl．

Answer 1

分析 （1）依据反应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得到反应Ⅰ进行计算；
（2）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）依据热化学方程式2NH₃（g）+CO₂（g）?NH₂CO₂NH₄（s）△H₁=a kJ•mol^-1 ，结合平衡常数的概念书写；
（4）图象分析二氧化碳的平衡浓度为0.025mol/L，体积缩小一半浓度增大一倍应为0.05mol/L，随反应进行达到平衡状态，因为生成物为固体，最后达到相同平衡状态，二氧化碳浓度不变，据此画出变化曲线；
（5）分析尿素结构可知，和羰基连接的氨基据此性质分析推断．
（6）①由CO₂的转化率随时间变化图可知在A点时反应还未达到平衡状态，反应仍将继续正向进行；
②设CO₂的初始物质的量为a，则NH₃的初始物质的量为4a，由图可知，CO₂的转化率为60%，故转化的二氧化碳为0.6a，根据方程式计算转化的NH₃的物质的量，再根据转化率定义计算；
（7）由图可知，阳极室首先是氯离子放电生成氯气，氯气再氧化尿素生成氮气、二氧化碳，同时会生成HCl．

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）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）反应Ⅰ：2NH₃（g）+CO₂（g）?NH₂CO₂NH₄（s）△H₁=-159.47kJ•mol^-1，平衡常数K=$\frac{1}{c（CO{\;}_{2}）c{\;}^{2}（NH{\;}_{3}）}$，故答案为：$\frac{1}{c（CO{\;}_{2}）c{\;}^{2}（NH{\;}_{3}）}$；
（4）在恒温下将0.4mol NH₃和0.2mol CO₂放入容积为2L的密闭容器中，达到平衡时，
                2NH₃（g）+CO₂（g）?NH₂CO₂NH₄（s）
起始量（mol/L）  0.2       0.1           0
变化量（mol/L） 0.15       0.075
平衡量（mol/L） 0.05        0.025
t₁时达到平衡过程中c（CO₂）随时间t变化趋势曲线如图2所示．若其他条件不变，t₁时将容器体积压缩到1L，二氧化碳浓度应增大到0.05mol/L，压强增大，平衡正向进行，由于生成物是固体，所以达到平衡状态，二氧化碳浓度保持不变，据此画出变化曲线为：
，故答案为：；

（5）尿素在土壤中会发生反应CO（NH₂）₂+2H₂O?（NH₄）₂CO₃．分析结构特征可知，物质性质取决于官能团，尿素中氨基和羰基相连和水反应生成铵根离子，所以选项中符合此结果特征的有类似性质：
A．NH₂COONH₄ ，结构中含有与羰基连接的氨基，故A符合；
B．H₂NOCCH₂CH₂CONH₂ 结构中含有与羰基连接的氨基，故B符合；
C．HOCH₂CH₂OH，结构中不含有氨基，故C不符合；        
D．HOCH₂CH₂NH₂，分子中的氨基不是和羰基连接，不具备次性质，故D不符合；
故答案为：A、B；
（6）①由CO₂的转化率随时间变化图可知在A点时反应还未达到平衡状态，反应仍将继续正向进行，故v_逆（CO₂）小于B点平衡时的化学反应速率，故答案为：小于；
②设CO₂的初始物质的量为a，则NH₃的初始物质的量为4a，由图可知，CO₂的转化率为60%，故转化的二氧化碳为a×60%=0.6a，根据方程式可知，转化的NH₃的物质的量为0.6a×2=1.2a，故平衡时氨气的转化率定为$\frac{1.2a}{4a}$×100%=30%，
故答案为：30%；
（7）由图可知，阳极室首先是氯离子放电生成氯气，氯气再氧化尿素生成氮气、二氧化碳，同时会生成HCl，阳极室中发生的反应依次为：6Cl^--6e^-═3Cl₂↑，CO（NH₂）₂+3Cl₂+H₂O═N₂+CO₂+6HCl，
故答案为：6Cl^--6e^-═3Cl₂↑；CO（NH₂）₂+3Cl₂+H₂O═N₂+CO₂+6HCl．

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，图象绘制与分析，掌握基础知识，推断物质结构是关键，题目难度中等．