Question

3．工業(yè)生產(chǎn)硝酸銨的流程如圖1所示
（1）硝酸銨的水溶液呈（填“酸性”、“中性”或“堿性”）；其水溶液中各離子的濃度大小順序為：c（NO₃^-）＞c（NH₄⁺）＞c（H⁺）＞c（OH^-）
（2）已知N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H＜0，當(dāng)反應(yīng)器中按n（N₂）：n（H₂）=1：3投料，分別在200℃、400℃、600℃下達到平衡時，混合物中NH₃的物質(zhì)的量分數(shù)隨壓強的變化曲線如圖2．
①曲線a對應(yīng)的溫度是200℃．
②關(guān)于工業(yè)合成氨的反應(yīng)，下列敘述正確的是ACDE
A．及時分離出NH₃可以提高H₂的平衡轉(zhuǎn)化率
B．P點原料氣的平衡轉(zhuǎn)化率接近100%，是當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)工藝中采用的溫度、壓強條件
C．圖2中M、N、Q點平衡常數(shù)K的大小關(guān)系是K（M）=K（Q）＞K（N）
D．M點對應(yīng)的H₂轉(zhuǎn)化率是75%
E．如果N點時c（NH₃）=0.2mol•L^-1，N點的化學(xué)平衡常數(shù)K≈0.93
（3）尿素（H₂NCONH₂）是一種非常重要的高效氮肥，工業(yè)上以NH₃、CO₂為原料生產(chǎn)尿素，該反應(yīng)實際為二步反應(yīng)：
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
寫出工業(yè)上以NH₃、CO₂為原料合成尿素的熱化學(xué)方程式：2NH₃（g）+CO₂（g）?H₂O（g）+CO（NH₂）₂ （s）△H=-134kJ/mol
（4）某實驗小組模擬工業(yè)上合成尿素的條件，在一體積為0.5L密閉容器中投入4mol氨和1mol二氧化碳，實驗測得反應(yīng)中各組分隨時間的變化如圖3所示：
①已知總反應(yīng)的快慢由慢的一步?jīng)Q定，則合成尿素總反應(yīng)的快慢由第二步反應(yīng)決定，總反應(yīng)進行到55min時到達平衡．
②反應(yīng)進行到10min時測得CO₂的物質(zhì)的量如圖3所示，則用CO₂表示的第一步反應(yīng)的速率v（CO₂）=0.148mol•L^-1•min^-1．
③在圖4中畫出第二步反應(yīng)的平衡常數(shù)K隨溫度的變化的示意圖．

Answer 1

分析 （1）硝酸銨溶液中銨根離子水解，使溶液呈酸性；
（2）①正反應(yīng)是放熱反應(yīng)，升高溫度平衡逆向移動，氨氣的含量減小；
②A．減小生成物濃度平衡正向移動；
B．P點原料氣的平衡轉(zhuǎn)化率接近100%，但此時壓強為100MPa，高壓對設(shè)備的要求太高，導(dǎo)致成本高，不是當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)工藝中采用的溫度、壓強條件；
C．K只受溫度影響，溫度不變平衡常數(shù)不變，正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，升高溫度平衡逆向移動，平衡常數(shù)減��；
D．M點時氨的物質(zhì)的量的分數(shù)為60%，根據(jù)反應(yīng)N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）利用三段式計算；
E．計算平衡時各組分濃度，代入K=$\frac{{c}^{2}（N{H}_{3}）}{c（{N}_{2}）×{c}^{3}（{H}_{2}）}$計算平衡常數(shù)；
（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；
根據(jù)蓋斯定律，①+②可得：2NH₃（g）+CO₂（g）?H₂O（g）+CO（NH₂）₂ （s）；
（4）①已知總反應(yīng)的快慢由慢的一步?jīng)Q定，反應(yīng)快慢可以依據(jù)第一步和第二步反應(yīng)的曲線斜率比較大小；
②根據(jù)圖象中二氧化碳在10 min時測得CO₂的物質(zhì)的量計算出用CO₂表示的第一步反應(yīng)的速率v（CO₂）；
③第二步反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，升高溫度平衡向正反應(yīng)方向移動，平衡常數(shù)增大．

解答 解：（1）硝酸銨溶液中銨根離子水解，會使溶液呈酸性，所以溶液中離子濃度大小關(guān)系是c（NO₃^-）＞c（NH₄⁺）＞c（H⁺）＞c（OH^-），
故答案為：酸性；c（NO₃^-）＞c（NH₄⁺）＞c（H⁺）＞c（OH^-）；
（2）①合成氨的反應(yīng)為放熱反應(yīng)，反應(yīng)溫度越高，越不利于反應(yīng)正向進行，曲線a的氨氣的物質(zhì)的量分數(shù)最高，其反應(yīng)溫度對應(yīng)相對最低，所以a曲線對應(yīng)溫度為200°C；
故答案為：200℃；
②A．及時分離出NH₃，可以使平衡正向進行，可以提高H₂的平衡轉(zhuǎn)化率，故A正確；
B．P點原料氣的平衡轉(zhuǎn)化率接近100%，但此時壓強為100MPa，高壓對設(shè)備的要求太高，導(dǎo)致成本高，當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)工藝中采用的500℃、20MPa～50MPa，故B錯誤；
C．平衡常數(shù)與溫度有關(guān)，與其他條件無關(guān)，溫度相同時平衡常數(shù)相同，反應(yīng)是放熱反應(yīng)，溫度越高平衡常數(shù)越小，則M、N、Q點平衡常數(shù)K的大小關(guān)系是K（M）=K（Q）＞K（N），故C正確；
D．M點時氨的物質(zhì)的量的分數(shù)為60%，利用三段式，設(shè)H₂轉(zhuǎn)化率是x
根據(jù)反應(yīng)N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）
起始        1            3                0
轉(zhuǎn)化        x            3x              2x
平衡       1-x         3-3x             2x
$\frac{2x}{1-x+3-3x+2x}$=60%，所以x=0.75，故D正確；
E．N點時c（NH₃）=0.2mol•L^-1，氨氣體積分數(shù)為20%，則：
                               N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）
起始濃度（mol/L）：x             3x                 0
變化濃度（mol/L）：0.1           0.3              0.2
平衡濃度（mol/L）：x-0.1       3x-0.3           0.2
所以$\frac{0.2}{4x-0.2}$=20%，解得x=0.3，平衡常數(shù)K=$\frac{{c}^{2}（N{H}_{3}）}{c（{N}_{2}）×{c}^{3}（{H}_{2}）}$=$\frac{0．{2}^{2}}{0.2×0．{6}^{3}}$≈0.93，故E正確，
故選：ACDE；
（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；
根據(jù)蓋斯定律，①+②可得：2NH₃（g）+CO₂（g）?H₂O（g）+CO（NH₂）₂ （s）△H=-134kJ/mol，
故答案為：2NH₃（g）+CO₂（g）?H₂O（g）+CO（NH₂）₂ （s）△H=-134kJ/mol；
（4）①由圖象可知在15分鐘左右，氨氣和二氧化碳反應(yīng)生成氨基甲酸銨后不再變化發(fā)生的是第1步反應(yīng)，氨基甲酸銨先增大再減小最后達到平衡，發(fā)生的是第二步反應(yīng)，從曲線斜率不難看出第二步反應(yīng)速率慢，所以合成尿素總反應(yīng)的快慢由第二步反應(yīng)決定，根據(jù)圖可知，尿素在55分鐘時，物質(zhì)的量不再變化，即反應(yīng)達到平衡，所以總反應(yīng)進行到55min時到達平衡，
故答案為：二；55；
②反應(yīng)進行到10 min時測得CO₂的物質(zhì)的量為0.26mol，二氧化碳的濃度變化為：c（CO₂）=$\frac{1mol-0.26mol}{0.5L}$=1.48mol/L，
則用CO₂表示的第一步反應(yīng)的速率v（CO₂）=$\frac{1.48mol/L}{10min}$=0.148 mol/（L•min），
故答案為：0.148；
③第2步反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，升高溫度平衡向正反應(yīng)方向移動，平衡常數(shù)增大，所以第二步反應(yīng)的平衡常數(shù)K隨溫度的變化的示意圖為，
故答案為：．

點評 本題考查化學(xué)平衡計算與影響因素、化學(xué)平衡圖象、熱化學(xué)方程式的書寫、鹽類水解等，試題知識點較多、綜合性較強，充分考查了學(xué)生的分析、理解能力及化學(xué)計算能力，題目難度中等．