Question

合成氨然后再生产尿素是最重要的化工生产。
I．在3个2 L的密闭容器中，在相同的温度下、使用相同的催化剂分别进行反应：
3H₂(g) + N₂(g)2NH₃(g)，按不同方式投入反应物，保持恒温、恒容，测得反应达到平衡时有关数据如下：

容器	甲	乙	丙
反应物投入量	3 mol H2、2 mol N2	6 mol H2、4mol N2	2 mol NH3
达到平衡的时间/min		5	8
平衡时N2的浓度/mol·L－1	c1	1.5
NH3的体积分数	ω1		ω3
混合气体密度/g·L－1	ρ1	ρ2

 
（1）容器乙中反应从开始到达平衡的反应速率为v(H₂)=___________。
（2）在该温度下甲容器中反应的平衡常数K=                            (用含c₁的代数式表示)。
（3）分析上表数据，下列关系正确的是________（填序号）：
a．2c₁ > 1.5         b．2ρ₁ = ρ₂       c．ω₃ = ω₁ 
II．工业上用氨气合成尿素（H₂NCONH₂）的反应在进行时分为如下两步：
第一步：2NH₃(l)＋CO₂(g) H₂NCOONH₄ (l)  (氨基甲酸铵)  △H1
第二步：H₂NCOONH₄(l)H₂O(l)＋H₂NCONH₂(l)              △H2   
（4）某实验小组模拟工业上合成尿素的条件，在一体积为0.5 L密闭容器中投入4 mol氨和1mol二氧化碳，实验测得反应中各组分随时间的变化如左下图I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    步反应决定。
②第二步反应的平衡常数K随温度T的变化如右上图II所示，则△H2            0；③若第一步反应升温时氨气浓度增大，请在图II中画出第一步反应K₁随温度T变化曲线，并作出必要的标注。
（5）氨和尿素溶液都可以吸收硝工业尾气中的NO、NO₂，将其转化为N₂。
①尿素与NO、NO₂三者等物质的量反应为：CO(NH₂)₂+NO+NO₂ =CO₂+2N₂+2H₂O
该反应中的氧化剂为                   （写化学式）。
②已知：N₂(g)+O₂(g)= 2NO(g)   △H ="a" kJ·mol^－1
N₂(g)+3H₂(g)= 2NH₃(g) △H₂="bkJ·" kJ·mol^－1
2H₂(g)+O₂(g)= 2H₂O(g) △H=" c" kJ·mol^－1
则4NH₃(g) +4NO(g) +O₂(g)= 4N₂(g)+6H₂O(g) △H=             。
③尿素燃料电池结构如下图所示。其工作时负极电极反应式可表示为                      。

Answer 1

（16分）
I．（共8分）（1）0.3 mol·L^－1· min^－1（2分）[数据正确1分，单位1分]
（2）或（2分，不写单位不扣分）
（3） ab（2分，选1个且正确1分，错1个0分）
II．（共8分）（4）①二（1分，从氨、CO₂曲线下降及氨基甲酸铵曲线升高看出第一步是快反应；从尿素曲线升高缓慢看出第二步是慢反应）   ②＞（1分）
③（2分）
（5）①NO、NO₂（2分，对1个给1分，错1个0分）
② (3c—2a—2b)（2分）
③CO(NH₂)₂+H₂O—6e^－=CO₂+N₂+6H⁺（2分）
[以下化学方程式或离子方程式：如果2分，化学式1分、系数和条件合起来1分。如果是3分：无条件的方程化学式2分、系数1分；有条件的方程化学式1分、系数1分、条件1分]
答：-1446.6kJ·mol^－1答案：CO(NH₂)₂+H₂O—6e^－=CO₂+N₂+6H⁺

试题分析：（1）先用定义式求v(N₂)，再用系数之必等于速率之比求v(H₂)，由于n/V=c，则乙容器中氮气的起始浓度为2mol/L，v(N₂)=△c(N₂)/△t=(2—1.5)mol/L÷5min=0.1mol/(L?min)，由于v(H₂)/v(N₂)=3/1，则v(H₂)=3v(N₂)= 0.3mol/(L?min)；（2）用三行数据法和定义式求甲容器中反应的平衡常数，则：
 3H₂(g)   +   N₂(g)    2NH₃(g)
起始浓度/mol?L^－1         1.5          1             0
变化浓度/mol?L^－1       3—3c₁     1—c₁        2—2c₁
平衡浓度/mol?L^－1        3c₁—3        c₁         2—2c₁   （2分）
K==或；
（3）对比甲、乙容器，其他条件保持不变时，平衡时将甲容器容积减半，就能变为乙平衡，容积减半可以使氮气、氢气、氨气浓度都立即加倍，增大反应体系的压强，因为合成氨是气体体积缩小的反应，则平衡向正反应方向移动，达到新平衡时氮气的浓度减小，因此2c₁ > 1.5，故a选项正确；对比甲、乙容器，由于反应物和生成物都是气体，反应前后气体物质的总质量不变，甲容器中混合气体总质量是乙的一半，两容器容积均为2L，由于混合气体的密度等于质量除以容器容积，则乙容器种混合气体密度是甲的2倍，故b选项正确；对比甲、丙容器可知，其他条件保持不变，丙容器中反应达到平衡后加入1molN₂时，所达平衡与甲容器中平衡等效，由于平衡时加入了氮气，增大氮气浓度，使平衡向生成氨气的方向移动，则氨气的体积分数增大，因此甲丙容器中氨气的体积分数不相等，故c选项错误；
（4）①读图，从氨、CO₂曲线快速下降及氨基甲酸铵曲线快速升高看出第一步是快反应；从尿素曲线升高缓慢看出第二步是慢反应，因此合成尿素总反应的快慢由第二步反应决定；②读图可知，升高温度，平衡常数K逐渐增大，根据化学平衡移动原理和平衡常数计算表达式可知，前者使平衡向吸热反应方向移动，后者说明平衡向正反应方向移动，则正反应是吸热反应，焓变大于0；依题意，氨气浓度增大，说明第一步反应所达平衡向逆反应方向移动，则第一步反应的平衡常数逐渐减小，由此可以在图II中画出第一步反应的平衡常数K₁随温度升高而逐渐减小的曲线；
（5）①观察化学方程式，由于尿素中C、H、O的化合价分别为+4、+1、—2价，各元素化合价代数和为0，则氮元素为—3价，氮元素由尿素中的—3价升为0价，被氧化，则尿素是还原剂，氮元素由NO中的+2价降为0价，NO₂中的+4价降为0价，均被还原，则NO、NO₂都是该反应的氧化剂；②先将已知热化学方程式编号为①②③，观察发现③×3—①×2—②×2可以约去6H₂(g)，根据盖斯定律，可以得到热化学方程式：4NH₃(g) +4NO(g) +O₂(g)= 4N₂(g)+6H₂O(g)  △H=" (3c—2a—2b)" kJ·mol^－1；读图可知，负极主要反应物和产物分别为CO(NH₂)₂、N₂，氮元素由—3价升为0价，根据电子守恒可得：CO(NH₂)₂—6e^－→N₂；根据质子交换膜必须用氢离子使左右电荷守恒，则CO(NH₂)₂—6e^－→N₂+6H⁺；根据H、O、C原子个数守恒，则CO(NH₂)₂+H₂O—6e^－=CO₂+N₂+6H⁺。