Question

1．工业生产硝酸铵的流程如图1所示：

（1）硝酸铵的水溶液呈酸性（填“酸性”、“中性”或“碱性”）；其水溶液中各离子的浓度大小顺序为c（NO₃^-）＞c（NH₄⁺）＞c（H⁺）＞c（OH^-）．
（2）已知N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H＜0，当反应器中按n（N₂）：n（H₂）=1：3投料，分别在200℃、400℃、600℃下达到平衡时，混合物中NH₃的物质的量分数随压强的变化曲线如图2．
①曲线a对应的温度是200℃．
②关于工业合成氨的反应，下列叙述正确的是ACE
A．及时分离出NH₃可以提高H₂的平衡转化率
B．P点原料气的平衡转化率接近100%，是当前工业生产工艺中采用的温度、压强条件
C．上图中M、N、Q点平衡常数K的大小关系是K（M）=K（Q）＞K（N）
D．M点比N点的反应速率快
E．如果N点时c（NH₃）=0.2mol•L^-1，N点的化学平衡常数K≈0.93L²/mol²
（3）尿素[CO（NH₂）₂]是一种非常重要的高效氮肥，工业上以NH₃、CO₂为原料生产尿素，该反应实际为两步反应：
第一步：2NH₃（g）+CO₂（g）═H₂NCOONH₄（s）△H=-272kJ•mol^-1
第二步：H₂NCOONH₄（s）═CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g）△H=+138kJ•mol^-1
写出工业上以NH₃、CO₂为原料合成尿素的热化学方程式：2NH₃（g）+CO₂（g）?H₂O（g）+CO（NH₂）₂ （s）△H=-134kJ/mol．
（4）某实验小组模拟工业上合成尿素的条件，在一体积为0.5L密闭容器中投入4mol氨和1mol二氧化碳，实验测得反应中各组分的物质的量随时间的变化如图3所示：
①已知总反应的快慢由慢的一步决定，则合成尿素总反应的快慢由第二步反应决定，总反应进行到55min时到达平衡．
②在上图4中画出第二步反应的平衡常数K随温度的变化的示意图．
（5）电解尿素[CO（NH₂）₂]的碱性溶液制纯净氢气的过程中同时产生氮气．电解时，阳极的电极反应式为CO（NH₂）₂+8OH^--6e^-=CO₃^2-+N₂↑+6H₂O．

Answer 1

分析 （1）硝酸铵溶液中铵根离子水解，使溶液呈酸性；
（2）①正反应是放热反应，升高温度平衡逆向移动，氨气的含量减小；
②A．减小生成物浓度平衡正向移动；
B．P点原料气的平衡转化率接近100%，但此时压强为100MPa，高压对设备的要求太高，导致成本高，不是当前工业生产工艺中采用的温度、压强条件；
C．K只受温度影响，温度不变平衡常数不变，正反应为放热反应，升高温度平衡逆向移动，平衡常数减小；
D．温度越高反应速率越快；
E．计算平衡时各组分浓度，代入K=$\frac{c{\;}^{2}（NH{\;}_{3}）}{c（N{\;}_{2}）×c{\;}^{3}（H{\;}_{2}）}$计算平衡常数；
（3）已知：①2NH₃（g）+CO₂（g）═H₂NCOONH₄（s）△H=-272kJ•mol^-1；
②H₂NCOONH₄（s）═CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g）△H=+138kJ•mol^-1；
根据盖斯定律，①+②可得：2NH₃（g）+CO₂（g）?H₂O（g）+CO（NH₂）₂ （s）；
（4）①已知总反应的快慢由慢的一步决定，反应快慢可以依据第一步和第二步反应的曲线斜率比较大小；
②第二步反应为吸热反应，升高温度平衡向正反应方向移动，平衡常数增大；
（5）电解尿素[CO（NH₂）₂]的碱性溶液制纯净氢气的过程中同时产生氮气，电解时，阳极上发生氧化反应得到氧化产物，即为氮气，据此书写电极反应式；

解答 解：（1）硝酸铵溶液中铵根离子水解，会使溶液呈酸性，所以溶液中离子浓度大小关系是c（NO₃^-）＞c（NH₄⁺）＞c（H⁺）＞c（OH^-），
故答案为：酸性；c（NO₃^-）＞c（NH₄⁺）＞c（H⁺）＞c（OH^-）；
（2）①合成氨的反应为放热反应，反应温度越高，越不利于反应正向进行，曲线a的氨气的物质的量分数最高，其反应温度对应相对最低，所以a曲线对应温度为200°C；
故答案为：200℃；
②A．及时分离出NH₃，可以使平衡正向进行，可以提高H₂的平衡转化率，故A正确；
B．P点原料气的平衡转化率接近100%，但此时压强为100MPa，高压对设备的要求太高，导致成本高，当前工业生产工艺中采用的500℃、20MPa～50MPa，故B错误；
C．平衡常数与温度有关，与其他条件无关，温度相同时平衡常数相同，反应是放热反应，温度越高平衡常数越小，则M、N、Q点平衡常数K的大小关系是K（M）=K（Q）＞K（N），故C正确；
D．N点温度高于M点，温度越低反应速率越快，故N点比M点的反应速率快，故D错误；
E．N点时c（NH₃）=0.2mol•L^-1，氨气体积分数为20%，则：
                N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）
起始浓度（mol/L）：x      3x       0
变化浓度（mol/L）：0.1    0.3      0.2
平衡浓度（mol/L）：x-0.1  3x-0.3   0.2 
所以$\frac{0.2}{4x-0.2}$=20%，解得x=0.3，平衡常数K=$\frac{c{\;}^{2}（NH{\;}_{3}）}{c（N{\;}_{2}）×c{\;}^{3}（H{\;}_{2}）}$=$\frac{0．{2}^{2}}{0.2×0．{6}^{3}}$≈0.93，故E正确，
故选：ACE；
（3）已知：①2NH₃（g）+CO₂（g）═H₂NCOONH₄（s）△H=-272kJ•mol^-1；
②H₂NCOONH₄（s）═CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g）△H=+138kJ•mol^-1；
根据盖斯定律，①+②可得：2NH₃（g）+CO₂（g）?H₂O（g）+CO（NH₂）₂ （s）△H=-134kJ/mol，
故答案为：2NH₃（g）+CO₂（g）?H₂O（g）+CO（NH₂）₂ （s）△H=-134kJ/mol；
（4）①由图象可知在15分钟左右，氨气和二氧化碳反应生成氨基甲酸铵后不再变化发生的是第一步反应，氨基甲酸铵先增大再减小最后达到平衡，发生的是第二步反应，从曲线斜率不难看出第二步反应速率慢，所以合成尿素总反应的快慢由第二步反应决定，根据图可知，尿素在55分钟时，物质的量不再变化，即反应达到平衡，所以总反应进行到55min时到达平衡，
故答案为：二；55；
②第二步反应为吸热反应，升高温度平衡向正反应方向移动，平衡常数增大，所以第二步反应的平衡常数K随温度的变化的示意图为，
故答案为：；
（5）电解尿素[CO（NH₂）₂]的碱性溶液制纯净氢气的过程中同时产生氮气，电解时，阳极上发生氧化反应得到氧化产物，即为氮气，电极反应式为CO（NH₂）₂+8OH^--6e^-=CO₃^2-+N₂↑+6H₂O，
故答案为：CO（NH₂）₂+8OH^--6e^-=CO₃^2-+N₂↑+6H₂O．

点评 本题考查化学平衡计算与影响因素、化学平衡图象、热化学方程式的书写、盐类水解等，试题知识点较多、综合性较强，充分考查了学生的分析、理解能力及化学计算能力，题目难度中等．