Question

2．二氧化碳是一種寶貴的碳氧資源．以CO₂和NH₃為原料合成尿素是固定和利用CO₂的成功范例．在尿素合成塔中的主要反應(yīng)可表示如下：
反應(yīng)Ⅰ：2NH₃（g）+CO₂（g）?NH₂CO₂NH₄（s）△H₁=a kJ•mol^-1
反應(yīng)Ⅱ：NH₂CO₂NH₄（s）?CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g）△H₂=+72.49kJ•mol^-1
總反應(yīng)Ⅲ：2NH₃（g）+CO₂（g）?CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g）△H₃=-86.98kJ•mol^-1
請(qǐng)回答下列問題：
（1）反應(yīng)Ⅰ的△H₁=-159.47kJ•mol^-1（用具體數(shù)據(jù)表示）．
（2）反應(yīng)Ⅲ中影響CO₂平衡轉(zhuǎn)化率的因素很多，下圖1為某特定條件下，不同水碳比$\frac{n（{H}_{2}O）}{n（C{O}_{2}）}$和溫度影響CO₂平衡轉(zhuǎn)化率變化的趨勢(shì)曲線．
①其他條件相同時(shí)，為提高CO₂的平衡轉(zhuǎn)化率，生產(chǎn)中可以采取的措施是降低（填提高或降低）水碳比．
②當(dāng)溫度高于190℃后，CO₂平衡轉(zhuǎn)化率出現(xiàn)如圖1所示的變化趨勢(shì)，其原因是溫度高于190℃時(shí)，因?yàn)榉磻?yīng)Ⅲ是放熱反應(yīng)，溫度升高平衡向逆方向進(jìn)行，CO₂的平衡轉(zhuǎn)化率降低．

（3）反應(yīng)Ⅰ的平衡常數(shù)表達(dá)式K₁=$\frac{1}{c（CO{\;}_{2}）c{\;}^{2}（NH{\;}_{3}）}$．
（4）某研究小組為探究反應(yīng)Ⅰ中影響c（CO₂）的因素，在恒溫下將0.4molNH₃和0.2molCO₂放入容積為2L的密閉容器中，t₁時(shí)達(dá)到平衡過程中c（CO₂）隨時(shí)間t變化趨勢(shì)曲線如上圖2所示．若其他條件不變，t₁時(shí)將容器體積壓縮到1L，請(qǐng)畫出t₁后c（CO₂）隨時(shí)間t變化趨勢(shì)曲線（t₂達(dá)到新的平衡）．
（5）尿素在土壤中會(huì)發(fā)生反應(yīng)CO（NH₂）₂+2H₂O?（NH₄）₂CO₃．下列物質(zhì)中與尿素有類似性質(zhì)的是A、B．
A．NH₂COONH₄ B．H₂NOCCH₂CH₂CONH₂ C．HOCH₂CH₂OH  D．HOCH₂CH₂NH₂
（6）某研究小組為探究反應(yīng)III中氨碳比的影響，圖3為某特定條件下，當(dāng)氨碳比$\frac{n（NH3）}{n（CO2）}$=4，CO₂的轉(zhuǎn)化率隨時(shí)間的變化關(guān)系．
①A點(diǎn)的逆反應(yīng)速率v_逆（CO₂）小于B點(diǎn)的正反應(yīng)速率為v_正（CO₂）（填“大于”、“小于”或“等于”）
②NH₃的平衡轉(zhuǎn)化率為30%．
（7）人工腎臟可用間接電化學(xué)方法除去代謝產(chǎn)物中的尿素，原理如圖4．陽極室中發(fā)生的反應(yīng)為6Cl^--6e^-═3Cl₂↑、CO（NH₂）₂+3Cl₂+H₂O═N₂+CO₂+6HCl．

Answer 1

分析 （1）依據(jù)反應(yīng)Ⅰ：2NH₃（g）+CO₂（g）?NH₂CO₂NH₄（s）△H₁=a kJ•mol^-1
反應(yīng)Ⅱ：NH₂CO₂NH₄（s）?CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g）△H₂=+72.49kJ•mol^-1
總反應(yīng)Ⅲ：2NH₃（g）+CO₂（g）?CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g）△H₃=-86.98kJ•mol^-1
由蓋斯定律總反應(yīng)Ⅲ-反應(yīng)Ⅱ得到反應(yīng)Ⅰ進(jìn)行計(jì)算；
（2）①不同水碳比$\frac{n（{H}_{2}O）}{n（C{O}_{2}）}$和溫度影響CO₂平衡轉(zhuǎn)化率變化的趨勢(shì)曲線分析可知，
②反應(yīng)Ⅲ是放熱反應(yīng)，升溫平衡逆向進(jìn)行；
（3）依據(jù)熱化學(xué)方程式2NH₃（g）+CO₂（g）?NH₂CO₂NH₄（s）△H₁=a kJ•mol^-1 ，結(jié)合平衡常數(shù)的概念書寫；
（4）圖象分析二氧化碳的平衡濃度為0.025mol/L，體積縮小一半濃度增大一倍應(yīng)為0.05mol/L，隨反應(yīng)進(jìn)行達(dá)到平衡狀態(tài)，因?yàn)樯�成物為固體，最后達(dá)到相同平衡狀態(tài)，二氧化碳濃度不變，據(jù)此畫出變化曲線；
（5）分析尿素結(jié)構(gòu)可知，和羰基連接的氨基據(jù)此性質(zhì)分析推斷．
（6）①由CO₂的轉(zhuǎn)化率隨時(shí)間變化圖可知在A點(diǎn)時(shí)反應(yīng)還未達(dá)到平衡狀態(tài)，反應(yīng)仍將繼續(xù)正向進(jìn)行；
②設(shè)CO₂的初始物質(zhì)的量為a，則NH₃的初始物質(zhì)的量為4a，由圖可知，CO₂的轉(zhuǎn)化率為60%，故轉(zhuǎn)化的二氧化碳為0.6a，根據(jù)方程式計(jì)算轉(zhuǎn)化的NH₃的物質(zhì)的量，再根據(jù)轉(zhuǎn)化率定義計(jì)算；
（7）由圖可知，陽極室首先是氯離子放電生成氯氣，氯氣再氧化尿素生成氮?dú)狻⒍�氧化碳，同時(shí)會(huì)生成HCl．

解答 解：（1）反應(yīng)Ⅰ：2NH₃（g）+CO₂（g）?NH₂CO₂NH₄（s）△H₁=a kJ•mol^-1
反應(yīng)Ⅱ：NH₂CO₂NH₄（s）?CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g）△H₂=+72.49kJ•mol^-1
總反應(yīng)Ⅲ：2NH₃（g）+CO₂（g）?CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g）△H₃=-86.98kJ•mol^-1
由蓋斯定律總反應(yīng)Ⅲ-反應(yīng)Ⅱ，得到2NH₃（g）+CO₂（g）?NH₂CO₂NH₄（s）△H₁=a=-159.47kJ•mol^-1，
故答案為：-159.47；
（2）①反應(yīng)Ⅲ：2NH₃（g）+CO₂（g）?CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g）△H₃=-86.98kJ•mol^-1，其他條件相同時(shí)，為提高CO₂的平衡轉(zhuǎn)化率，平衡正向進(jìn)行，依據(jù)圖象中的水碳比數(shù)據(jù)分析判斷，生產(chǎn)中可以采取的措施是降低水碳比，二氧化碳轉(zhuǎn)化率增大，故答案為：降低；
②反應(yīng)Ⅲ：2NH₃（g）+CO₂（g）?CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g）△H₃=-86.98kJ•mol^-1，是放熱反應(yīng)，升溫高于190°C，依據(jù)圖象分析可知，二氧化碳轉(zhuǎn)化率減小，因?yàn)闇囟壬�高，平衡逆向進(jìn)行，
故答案為：溫度高于190℃時(shí)，因?yàn)榉磻?yīng)Ⅲ是放熱反應(yīng)，溫度升高平衡向逆方向進(jìn)行，CO₂的平衡轉(zhuǎn)化率降低；
（3）反應(yīng)Ⅰ：2NH₃（g）+CO₂（g）?NH₂CO₂NH₄（s）△H₁=-159.47kJ•mol^-1，平衡常數(shù)K=$\frac{1}{c（CO{\;}_{2}）c{\;}^{2}（NH{\;}_{3}）}$，故答案為：$\frac{1}{c（CO{\;}_{2}）c{\;}^{2}（NH{\;}_{3}）}$；
（4）在恒溫下將0.4mol NH₃和0.2mol CO₂放入容積為2L的密閉容器中，達(dá)到平衡時(shí)，
                2NH₃（g）+CO₂（g）?NH₂CO₂NH₄（s）
起始量（mol/L）  0.2       0.1           0
變化量（mol/L） 0.15       0.075
平衡量（mol/L） 0.05        0.025
t₁時(shí)達(dá)到平衡過程中c（CO₂）隨時(shí)間t變化趨勢(shì)曲線如圖2所示．若其他條件不變，t₁時(shí)將容器體積壓縮到1L，二氧化碳濃度應(yīng)增大到0.05mol/L，壓強(qiáng)增大，平衡正向進(jìn)行，由于生成物是固體，所以達(dá)到平衡狀態(tài)，二氧化碳濃度保持不變，據(jù)此畫出變化曲線為：
，故答案為：；

（5）尿素在土壤中會(huì)發(fā)生反應(yīng)CO（NH₂）₂+2H₂O?（NH₄）₂CO₃．分析結(jié)構(gòu)特征可知，物質(zhì)性質(zhì)取決于官能團(tuán)，尿素中氨基和羰基相連和水反應(yīng)生成銨根離子，所以選項(xiàng)中符合此結(jié)果特征的有類似性質(zhì)：
A．NH₂COONH₄ ，結(jié)構(gòu)中含有與羰基連接的氨基，故A符合；
B．H₂NOCCH₂CH₂CONH₂ 結(jié)構(gòu)中含有與羰基連接的氨基，故B符合；
C．HOCH₂CH₂OH，結(jié)構(gòu)中不含有氨基，故C不符合；        
D．HOCH₂CH₂NH₂，分子中的氨基不是和羰基連接，不具備次性質(zhì)，故D不符合；
故答案為：A、B；
（6）①由CO₂的轉(zhuǎn)化率隨時(shí)間變化圖可知在A點(diǎn)時(shí)反應(yīng)還未達(dá)到平衡狀態(tài)，反應(yīng)仍將繼續(xù)正向進(jìn)行，故v_逆（CO₂）小于B點(diǎn)平衡時(shí)的化學(xué)反應(yīng)速率，故答案為：小于；
②設(shè)CO₂的初始物質(zhì)的量為a，則NH₃的初始物質(zhì)的量為4a，由圖可知，CO₂的轉(zhuǎn)化率為60%，故轉(zhuǎn)化的二氧化碳為a×60%=0.6a，根據(jù)方程式可知，轉(zhuǎn)化的NH₃的物質(zhì)的量為0.6a×2=1.2a，故平衡時(shí)氨氣的轉(zhuǎn)化率定為$\frac{1.2a}{4a}$×100%=30%，
故答案為：30%；
（7）由圖可知，陽極室首先是氯離子放電生成氯氣，氯氣再氧化尿素生成氮?dú)�、二氧化碳，同時(shí)會(huì)生成HCl，陽極室中發(fā)生的反應(yīng)依次為：6Cl^--6e^-═3Cl₂↑，CO（NH₂）₂+3Cl₂+H₂O═N₂+CO₂+6HCl，
故答案為：6Cl^--6e^-═3Cl₂↑；CO（NH₂）₂+3Cl₂+H₂O═N₂+CO₂+6HCl．

點(diǎn)評(píng) 本題考查了熱化學(xué)方程式和蓋斯定律的計(jì)算應(yīng)用，化學(xué)平衡影響因素分析判斷，平衡常數(shù)，圖象繪制與分析，掌握基礎(chǔ)知識(shí)，推斷物質(zhì)結(jié)構(gòu)是關(guān)鍵，題目難度中等．