Question

8．尿素是蛋白質(zhì)代謝的產(chǎn)物，也是重要的化學(xué)肥料．工業(yè)合成尿素反應(yīng)如下：
2NH₃（g）+CO₂（g）═CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g）
（1）在一個(gè)真空恒容密閉容器中充入CO₂和NH₃發(fā)生上述反應(yīng)合成尿素，恒定溫度下混合氣體中的氨氣含量如圖1所示．A點(diǎn)的正反應(yīng)速率v_正（CO₂）＞B點(diǎn)的逆反應(yīng)速率v_逆（CO₂）（填“＞”、“＜”或“=”）；

氨氣的平衡轉(zhuǎn)化率為75%．
（2）氨基甲酸銨是合成尿素的一種中間產(chǎn)物．將體積比為2：1的NH₃和CO₂混合氣體充入一個(gè)容積不變的真空密閉容器中，在恒定溫度下使其發(fā)生下列反應(yīng)并達(dá)到平衡：
2NH₃（g）+CO₂（g）═NH₂COONH₄（s）
將實(shí)驗(yàn)測得的不同溫度下的平衡數(shù)據(jù)列于下表：

溫度（℃）	15.0	20.0	25.0	30.0	35.0
平衡氣體總濃度 （10-3mol/L）	2.4	3.4	4.8	6.8	9.4

①關(guān)于上述反應(yīng)的焓變、熵變說法正確的是A．
A．△H＜0，△S＜0                B．△H＞0，△S＜0
C．△H＞0，△S＞0                   D．△H＜0，△S＞0
②關(guān)于上述反應(yīng)的平衡狀態(tài)下列說法正確的是C
A．分離出少量的氨基甲酸銨，反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率將增大
B．平衡時(shí)降低體系溫度，CO₂的體積分?jǐn)?shù)下降
C．NH₃的轉(zhuǎn)化率始終等于CO₂的轉(zhuǎn)化率
D．加入有效的催化劑能夠提高氨基甲酸銨的產(chǎn)率
③氨基甲酸銨極易水解成碳酸銨，酸性條件水解更徹底．將氨基甲酸銨粉末逐漸加入1L0.1mol/L的鹽酸溶液中直到pH=7（室溫下，忽略溶液體積變化），共用去0.052mol氨基甲酸銨，此時(shí)溶液中幾乎不含碳元素．
此時(shí)溶液中c（NH₄⁺）=0.1mol/L；（填具體數(shù)值）
NH₄⁺水解平衡常數(shù)值為4×10^-9．
（3）化學(xué)家正在研究尿素動(dòng)力燃料電池，尿液也能發(fā)電！用這種電池直接去除城市廢水中的尿素，既能產(chǎn)生凈化的水又能發(fā)電．尿素燃料電池結(jié)構(gòu)如圖2所示，寫出該電池的負(fù)極反應(yīng)式：CO（NH₂）₂+H₂O-6e^-═N₂↑+CO₂↑+6H⁺．

Answer 1

分析 （1）圖象分析氨氣的體積分?jǐn)?shù)從50%變化為20%后體積分?jǐn)?shù)保持不變，說明B點(diǎn)反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，A點(diǎn)氨氣體積百分含量大于B的氨氣體積百分含量，說明反應(yīng)正向進(jìn)行達(dá)到平衡狀態(tài)，A點(diǎn)的正反應(yīng)速率大于B點(diǎn)的正反應(yīng)速率；依據(jù)氨氣的體積分?jǐn)?shù)結(jié)合平衡三段式列式計(jì)算平衡轉(zhuǎn)化率；
（2）①根據(jù)表中的數(shù)據(jù)分析：溫度越高，則平衡氣體的總濃度越大，所以升高溫度，平衡逆向移動(dòng)，正反應(yīng)反應(yīng)是放熱反應(yīng)；
反應(yīng)物是氣體，產(chǎn)物是固體，該反應(yīng)是熵減小的過程；
②A．因?yàn)榘被�甲酸銨為固體，分離出少量的氨基甲酸銨，平衡不移動(dòng)；
B．氨基甲酸銨為固體，所以NH₃和CO₂始終為2：1；
C．因?yàn)轶w積比為2：1的NH₃和CO₂混合氣體充入反應(yīng)，NH₃和CO₂又按照2：1的消耗，所以NH₃的轉(zhuǎn)化率始終等于CO₂的轉(zhuǎn)化率；
D．催化劑只改變速率，不改變平衡移動(dòng)，由此進(jìn)行判斷；
③根據(jù)氨基甲酸銨極易水解成碳酸銨，即反應(yīng)式為NH₂COONH₄（s）+H₂O?（NH₄）₂CO₃，將氨基甲酸銨粉末逐漸加入1L0.1mol/L的鹽酸溶液中直到pH=7并且溶液中幾乎不含碳元素，所以溶液中只有H⁺、NH₄⁺、OH^-、Cl^-，根據(jù)電荷守恒計(jì)算c（NH₄⁺），根據(jù)NH₄⁺+H₂O?NH₃•H₂O+OH^-結(jié)合K的表達(dá)式計(jì)算；
（3）尿素燃料電池中尿素再負(fù)極上失去電子生成氮?dú)狻⒍�氧化碳�?/p>

解答 解：（1）氨氣的體積分?jǐn)?shù)從50%變化為20%后體積分?jǐn)?shù)保持不變，說明B點(diǎn)反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，A點(diǎn)氨氣體積百分含量大于B的氨氣體積百分含量，說明反應(yīng)正向進(jìn)行達(dá)到平衡狀態(tài)，A點(diǎn)的正反應(yīng)速率大于B點(diǎn)的正反應(yīng)速率，故v_正（CO₂）＞v_逆（CO₂）；
設(shè)氨氣消耗物質(zhì)的量x，開始氨氣體積分?jǐn)?shù)為50%，假設(shè)氨氣為50mol，二氧化碳為50mol，
                      CO₂+2NH₃?（NH₂）₂CO+H₂O
起始量（mol）   50     50        0     0
變化量（mol）   0.5x   x       0.5x  0.5x
平衡量（mol） 50-0.5x  50-x   0.5x  0.5x
氨氣的體積分?jǐn)?shù)為$\frac{50-x}{50-0.5x+50-x+0.5x+0，5x}$=20%；解得x=37.5mol，則氨氣的平衡轉(zhuǎn)化率為$\frac{37.5}{50}×100%$=75%；
故答案為：＞；75%；         
（2）①①根據(jù)表中的數(shù)據(jù)分析：溫度越高，則平衡氣體的總濃度越大，所以升高溫度，平衡逆向移動(dòng)，正反應(yīng)反應(yīng)是放熱反應(yīng)，故△H＜0；
反應(yīng)物是氣體，產(chǎn)物是固體，該反應(yīng)是熵減小的過程，即，△S＜0；
故答案為：A；
②A．因?yàn)榘被�甲酸銨為固體，分離出少量的氨基甲酸銨，平衡不移動(dòng)，所以反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率不變，故A錯(cuò)誤；
B．平衡時(shí)降低體系溫度，平衡向放熱方向即正反應(yīng)方向移動(dòng)，又氨基甲酸銨為固體，所以NH₃和CO₂始終為2：1，則CO₂的體積分?jǐn)?shù)不變，故B錯(cuò)誤；
C．因?yàn)轶w積比為2：1的NH₃和CO₂混合氣體充入反應(yīng)，NH₃和CO₂又按照2：1的消耗，所以NH₃的轉(zhuǎn)化率始終等于CO₂的轉(zhuǎn)化率，故C正確；
D．催化劑只改變速率，不改變平衡移動(dòng)，所以加入有效的催化劑不能夠提高氨基甲酸銨的產(chǎn)率，故D錯(cuò)誤；
故答案為：C；
③因?yàn)榘被�甲酸銨極易水解成碳酸銨，即反應(yīng)式為NH₂COONH₄（s）+H₂O?（NH₄）₂CO₃，加入1L0.1mol/L的鹽酸溶液中直到溶液pH=7并且溶液中幾乎不含碳元素，所以溶液中只有H⁺、NH₄⁺、OH^-、Cl^-，根據(jù)電荷守恒c（NH₄⁺）=c（Cl^-）=0.1mol/L，又用去0.052mol氨基甲酸銨，所以開始溶液中的銨根離子濃度為0.052mol/L×2=0.104mol/L，
          NH₄⁺+H₂O?NH₃•H₂O+H⁺；
開始  0.104mol/L          0        
轉(zhuǎn)化  0.004mol/L        0.004mol/L 
平衡   0.1mol/L         0.004mol/L   
又溶液為pH=7，所以氫離子濃度為10^-7mol/L，則NH₄⁺水解平衡常數(shù)K=$\frac{c（N{H}_{3}•{H}_{2}O）c（{H}^{+}）}{c（N{{H}_{4}}^{+}）}$=$\frac{0.004×1{0}^{-7}}{0.1}$═4×10^-9；
故答案為：0.1mol/L；4×10^-9；
（3）尿素燃料電池中尿素再負(fù)極上失去電子生成氮?dú)狻⒍�氧化碳，�?fù)極反應(yīng)為CO（NH₂）₂+H₂O-6e^-═N₂↑+CO₂↑+6H⁺；
故答案為：CO（NH₂）₂+H₂O-6e^-═N₂↑+CO₂↑+6H⁺．

點(diǎn)評 本題考查化學(xué)反應(yīng)速率、化學(xué)平衡的移動(dòng)原理、弱堿根離子在溶液中的水解平衡的計(jì)算應(yīng)用以及燃料電池負(fù)極反應(yīng)式的書寫等知識，綜合性較大，難度中等．