Question

18．尿素又稱碳酰胺，是一種氮肥，工業(yè)上利用CO₂和NH₃在一定條件下合成尿素．
（1）工業(yè)上利用二氧化碳和氨氣合成尿素，其反應分為如下兩步：

若按如圖1物質(zhì)的狀態(tài)，反應i生成1mol氨基甲酸銨放出能量為272kJ，而1mol氨基甲酸銨分解需吸收138kJ的能量．
①寫出CO₂（g）與NH₃（l）合成尿素的熱化學方程式為2NH₃（g）+CO₂（g）?CO（NH₂）₂（s）+H₂O（l）△H=-134kJ/mol．
②總反應的平衡常數(shù)表達式K=$\frac{1}{{c}^{2}（N{H}_{3}）•c（C{O}_{2}）}$．
（2）某小組模擬工業(yè)合成尿素的反應．在恒溫恒容條件，反應物總物質(zhì)的量恒定為3mol，以不同的氨碳比充入體系進行反應，測得平衡體系中各組分的變化如圖2．圖3為n（NH₃）/n（CO₂）=4時，測得各組分物質(zhì)的量的變化．

①觀察圖3判斷合成尿素總反應的快慢由反應ii （填“ⅰ”或“ⅱ”）決定．
②若起始溫度相同，反應改為在絕熱（與外界沒有熱量交換）容器中進行，平衡常數(shù)K_i將減少（填增大、減少、不變）．
③若圖2中a、b線分別表示反應物轉(zhuǎn)化率的變化，c線表示平衡體系中尿素物質(zhì)的量分數(shù)的變化，則圖中表示NH₃轉(zhuǎn)化率的曲線是b（填a或b）線；M點對應的y值=36.4．
④若其他條件不變，下列措施能同時提高化學反應速率和尿素產(chǎn)率的是B
A．通入氦氣      B．縮小體積        C．加入催化劑     D．除去體系中的水蒸氣
（3）CO₂是合成尿素的原料．
①華盛頓大學的研究人員研究出一種方法，可實現(xiàn)水泥生產(chǎn)時CO₂零排放，其基本原理如圖4所示，電解質(zhì)為熔融碳酸鈉．電解反應在溫度小于900℃時碳酸鈣先分解為CaO和CO₂，則陽極的電極反應式為2CO₃^2--4e^-=2CO₂↑+O₂↑．
②25℃，圖5是CO₂水溶液中含碳元素成分微粒的含量隨pH變化曲線．求該溫度下碳酸二級電離常數(shù)K₂=10^-10.2．

Answer 1

分析 （1）①題目所給的反應流程中物質(zhì)狀態(tài)和數(shù)據(jù)，可知2mol氨氣與1molCO₂完全反應生成最后產(chǎn)物放出能量為（272-138）kJ，然后寫出熱化學方程式；
②生成物為純液體和純固體，結(jié)合平衡常數(shù)的含義書寫；
（2）①分析圖2可知在10幾分鐘時NH₃和CO₂濃度不再變化，其他物質(zhì)還在變化，說明反應ii更慢；
②因為反應為放熱反應，升高溫度，平衡逆移；
③因為NH₃和CO₂物質(zhì)的量總和不變，增加一種反應物的量可以提高其他反應物轉(zhuǎn)化率，由此可知隨著n（NH₃）/n（CO₂）增大，NH₃轉(zhuǎn)化率減小，圖中b為NH₃轉(zhuǎn)化率，由圖上可知NH₃轉(zhuǎn)化率為80%，計算可知，平衡時NH₃、CO₂、CO（NH₂）₂、H₂O物質(zhì)的量分別為0.4mol、0.2mol、0.8mol、0.8mol；
④A．恒容時通入氦氣不影響速率和平衡；
B．縮小體積可以加快速率促使平衡向右移動；
C．加入催化劑反應速率加快；
D．除去體系中的水蒸氣減小反應速率，但平衡向右移動；
（3）①由圖分析可知高溫下CaCO₃分解生成CaO、CO₂，CO₂參與陰極反應生成C，熔融的碳酸鈉電解質(zhì)電離出的CO₃^2-離子在陰極上得電子產(chǎn)生O₂；
②根據(jù)碳酸的K_a2=$\frac{[C{{O}_{3}}^{2-}][{H}^{+}]}{[HC{{O}_{3}}^{-}]}$，結(jié)合圖象計算．

解答 解：（1）①題目所給的反應流程中物質(zhì)狀態(tài)和數(shù)據(jù)，可知2mol氨氣與1molCO₂完全反應生成最后產(chǎn)物放出能量為（272-138）kJ，則熱化學方程式為2NH₃（g）+CO₂（g）?CO（NH₂）₂（s）+H₂O（l）△H=-134kJ/mol；
故答案為：2NH₃（g）+CO（g）?CO（NH₂）₂（s）+H₂O（l）△H=-134kJ/mol；
②總反應為2NH₃（g）+CO₂（g）?CO（NH₂）₂（s）+H₂O（l），則反應的平衡常數(shù)為K=$\frac{1}{{c}^{2}（N{H}_{3}）•c（C{O}_{2}）}$；
故答案為：$\frac{1}{{c}^{2}（N{H}_{3}）•c（C{O}_{2}）}$；
（2）①分析圖2可知在10幾分鐘時NH₃和CO₂濃度不再變化，其他物質(zhì)還在變化，說明反應ii更慢，所以反應ii決定總反應的速率；
故答案為：ii；
②因為該反應為放熱反應，起始溫度相同，在絕熱容器中進行，反應體系溫度上升，平衡逆移，K減少；
故答案為：減少；
③因為NH₃和CO₂物質(zhì)的量總和不變，增加一種反應物的量可以提高其他反應物轉(zhuǎn)化率，由此可知隨著n（NH₃）/n（CO₂）增大，NH₃轉(zhuǎn)化率減小，圖中b為NH₃轉(zhuǎn)化率．由圖上可知NH₃轉(zhuǎn)化率為80%，計算可知，平衡時NH₃、CO₂、CO（NH₂）₂、H₂O物質(zhì)的量分別為0.4mol、0.2mol、0.8mol、0.8mol則CO（NH₂）₂的物質(zhì)的量分數(shù)為$\frac{0.8mol}{0.2mol+0.4mol+0.8mol+0.8mol}$×100%=36.4%；
故答案為：36.4%；
④A．恒容時通入氦氣不影響速率和平衡，反應各物質(zhì)的濃度不變，反應速率不變，化學平衡不移動，尿素產(chǎn)率不變，故A不選；
B．縮小體積，壓強增大，可以加快速率，促使平衡向右移動，故B選；
C．加入催化劑反應速率加快，化學平衡不移動，所以尿素產(chǎn)率不變，故C不選；
 D．除去體系中的水蒸氣減小反應速率，但平衡向右移，能提高尿素的產(chǎn)率，故D不選；
故答案為：B；
（3）①由圖分析可知高溫下CaCO₃分解生成CaO、CO₂，CO₂參與陰極反應生成C，熔融的碳酸鈉電解質(zhì)電離出的CO₃^2-離子在陰極上得電子產(chǎn)生O₂，電極反應式為2CO₃^2--4e^-=2CO₂↑+O₂↑；
故答案為：2CO₃^2--4e^-=2CO₂↑+O₂↑；
②碳酸的K_a2=$\frac{[C{{O}_{3}}^{2-}][{H}^{+}]}{[HC{{O}_{3}}^{-}]}$，當[CO₃^2-]=[HCO₃^-]時，K_a2=[H⁺]，由圖上曲線可知交點b為[CO₃^2-]=[HCO₃^-]，此處pH=10.2，即[H⁺]=10^-10.2mol/L，則K_a2=10^-10.2；故答案為：10^-10.2．

點評 本題考查了熱化學方程式的書寫、影響反應速率和化學平衡的因素、化學平衡計算、電解原理的應用等，題目難度中等，側(cè)重于考查學生的分析能力、計算能力和對基礎(chǔ)知識的綜合應用能力．