Question

化學一化學與技術
我國有豐富的天然氣資源．以天然氣為原料合成尿素的主要流程如圖所示（圖中某些轉化步驟及生成物未列出）

請?zhí)顚懴铝锌瞻祝?br/>（1）合成尿素的反應分二步，請寫出該反應的化學方程式
①______；
②______．
（2）依據(jù)流程圈，判斷下列說法正確的是______．
A．在轉化CO的過程中使用催化劑，可以提高CO的轉化率
B．進入分離二氧化碳裝置的氣體有2種
C．N₂、H₂的循環(huán)使用，提高了原子的利用率
D．二氧化碳與氨合成尿素屬于人工固氮
E．流程中的原料有3種取之不盡，用之不完
（3）合成氨選擇的外界條件是：催化劑，20～50MPa的壓強，500℃的溫度．選擇該溫度的主要原因是______．
（4）已知制造合成氣的反應為CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g），該反應的平衡常數(shù)表達式為K=______．降低溫度K減小，則正反應是一個______熱反應．當造合成氣的反應中甲烷的轉化率為75%．合成氨中氫氣的轉化率為40%（其他過程的損失不計）以5.60xlO⁷L甲烷為原料能夠合成______L氨氣．（假設體積均在標準狀況下測定）

Answer 1

解：（1）在高溫高壓條件下，NH₃與CO₂反應生成NH₂COONH₄，NH₂COONH₄加熱分解生成CO（NH₂）₂與H₂O．
反應方程式為①2NH₃+CO₂NH₂COONH₄，②NH₂COONH₄CO（NH₂）₂+H₂O．
故答案為：①2NH₃+CO₂NH₂COONH₄，②NH₂COONH₄CO（NH₂）₂+H₂O．
（2）A．使用催化劑加快反應速率，縮短到達平衡時間，催化劑不影響平衡移動，CO的轉化率不變，故A錯誤；
B．由工藝流程可知，進入分離二氧化碳裝置的氣體有H₂O、CH₄、H₂、CO₂等，故B錯誤；
C．N₂、H₂的循環(huán)使用，充分利用氮元素、氫元素，提高了原子的利用率，故C正確；
D．氨中的氮元素屬于化合態(tài)，二氧化碳與氨合成尿素，不是游離態(tài)的氮元素轉化為化合態(tài)，不屬于人工固氮，故D錯誤；
E．天然氣是化石能源，屬于不可再生資源，故E錯誤．
故選：C．
（3）合成氨反應是放熱反應，雖然溫度越高對反應有抑制作用，但是在500度時催化劑的活性最大，反應速率也很快．綜合考慮工業(yè)生產(chǎn)選擇500度的高溫．
故答案為：500℃的溫度反應速率較快，催化劑活性最高．
（4）平衡常數(shù)指產(chǎn)物濃度系數(shù)次冪的乘積與反應物濃度系數(shù)次冪的乘積的比值．所以反應CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）的平衡常數(shù)k=．
降低溫度，平衡常數(shù)K減小，平衡向逆反應進行，降低溫度平衡向放熱反應方向移動，故該反應正反應為吸熱反應．
根據(jù)關系式計算造合成氣的反應中生成的CO、H₂的體積：
合成氣的反應中：CH₄～～～～～～～～～CO～～～～～～～～～～3H₂，
5.60xlO⁷L×0.75 5.60xlO⁷L×0.75 5.60xlO⁷L×0.75×3
分離二氧化碳過程生成的H₂體積：CO～～～～～～～～～～H₂，
5.60xlO⁷L×0.75 5.60xlO⁷L×0.75
所以產(chǎn)生的氫氣的總體積為5.60xlO⁷L×0.75×3+5.60xlO⁷L×0.75=5.60xlO⁷L×0.75×4
令產(chǎn)生氨氣的體積為V，則：
3H₂～～～～～～～～～2NH₃
3 2
5.60xlO⁷L×0.75×4×40% V
解得，V=5.60xlO⁷L×0.75×4×40%×=4.48xlO⁷L
故答案為：；吸；4.48xlO⁷L．
分析：（1）在高溫高壓條件下，NH₃與CO₂反應生成NH₂COONH₄，NH₂COONH₄加熱分解生成CO（NH₂）₂與H₂O．
（2）A．催化劑不影響平衡移動．
B．由工藝流程可知，進入分離二氧化碳裝置的氣體有H₂O、CH₄、H₂、CO₂等．
C．N₂、H₂的循環(huán)使用，提高了原子的利用率．
D．由游離態(tài)的氮元素轉化為化合態(tài)，稱為固氮．
E．天然氣是化石能源，屬于不可再生資源，．
（3）500℃的溫度反應速率較快，催化劑活性最高．
（4）平衡常數(shù)指產(chǎn)物濃度系數(shù)次冪的乘積與反應物濃度系數(shù)次冪的乘積的比值．
降低溫度，平衡常數(shù)K減小，平衡向逆反應進行，降低溫度平衡向放熱反應方向移動．
根據(jù)關系式CH₄～CO～3H₂計算造合成氣的反應中生成的CO、H₂的體積，根據(jù)關系式 CO～H₂計算分離二氧化碳過程生成的H₂體積，兩部分氫氣體積為生成氫氣的總體積，再根據(jù) 3H₂～2NH₃計算生成氨氣的體積．
點評：考查學生對工藝流程的理解、化學平衡移動及平衡常數(shù)與計算、合成氨條件的選擇等，難度中等，關鍵是掌握整個制備流程原理，要求學生要有扎實的基礎知識和靈活應用知識解決問題的能力．（4）中計算為易錯點，容易忽略分離二氧化碳過程生成的H₂體積．