Question

3．工業(yè)生產(chǎn)硝酸銨的流程如圖1所示

（1）硝酸銨的水溶液呈酸性（填“酸性”、“中性”或“堿性”）；其水溶液中各離子的濃度大小順序?yàn)椋篶（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(dá)到平衡時(shí)，混合物中NH₃的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)隨壓強(qiáng)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(shí)分離出NH₃可以提高H₂的平衡轉(zhuǎn)化率
B．P點(diǎn)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(qiáng)條件
C．圖中M、N、Q點(diǎn)平衡常數(shù)K的大小關(guān)系是K（M）=K（Q）＞K（N）
D．M點(diǎn)對應(yīng)的H₂轉(zhuǎn)化率是75%
E．如果N點(diǎn)時(shí)c（NH₃）=0.2mol•L^-1，N點(diǎn)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)測得反應(yīng)中各組分隨時(shí)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(jìn)行到55min時(shí)到達(dá)平衡．
②反應(yīng)進(jìn)行到10min時(shí)測得CO₂的物質(zhì)的量如圖4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在右圖中畫出第二步反應(yīng)的平衡常數(shù)K隨溫度的變化的示意圖．

Answer 1

分析 （1）硝酸銨的水溶液中銨根離子水解會(huì)使溶液呈酸性，硝酸銨中硝酸根和銨根離子溶液相等，但部分銨根水解，濃度減小，據(jù)此判斷離子濃度大��；
（2）①依據(jù)反應(yīng)是放熱反應(yīng)，溫度升高，平衡逆向進(jìn)行，氨氣的含量減��；
②A、減小生成物濃度平衡正向移動(dòng)；B、P點(diǎn)原料氣的平衡轉(zhuǎn)化率接近100%，但此時(shí)壓強(qiáng)為100MPa，對設(shè)備的要求太高，成本高，不是當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)工藝中采用的溫度、壓強(qiáng)條件；C、K只受溫度影響，該反應(yīng)溫度升高時(shí)K值減��；D、M點(diǎn)時(shí)氨的物質(zhì)的量的分?jǐn)?shù)為60%，根據(jù)反應(yīng)N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）利用三段式計(jì)算；E、根據(jù)反應(yīng)N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）利用三段式計(jì)算出平衡時(shí)各物質(zhì)的濃度，并計(jì)算平衡常數(shù)；
（3）根據(jù)蓋斯定律，①2NH₃（g）+CO₂（g）═H₂NCOONH₄（s）△H=-272kJ•mol^-1；②H₂NCOONH₄（s）═CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g）△H=+138kJ•mol^-1；將①+②可得以NH₃、CO₂為原料合成尿素的熱化學(xué)方程式；
（4）①已知總反應(yīng)的快慢由慢的一步?jīng)Q定，結(jié)合圖象變化趨勢，圖象表達(dá)反應(yīng)的判斷，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(shí)測得CO₂的物質(zhì)的量計(jì)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(dòng)，平衡常數(shù)增大，據(jù)此畫圖．

解答 解：（1）硝酸銨的水溶液中銨根離子水解會(huì)使溶液呈酸性，硝酸銨中硝酸根和銨根離子溶液相等，但部分銨根水解，濃度減小，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)的進(jìn)行，曲線a的氨氣的物質(zhì)的量分?jǐn)?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(shí)分離出NH₃，可以使平衡正向進(jìn)行，可以提高H₂的平衡轉(zhuǎn)化率，故A正確；
B、P點(diǎn)原料氣的平衡轉(zhuǎn)化率接近100%，但此時(shí)壓強(qiáng)為100MPa，對設(shè)備的要求太高，成本高，不是當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)工藝中采用的溫度、壓強(qiáng)條件，故B錯(cuò)誤；
C、平衡常數(shù)與溫度有關(guān)，與其他條件無關(guān)，同一溫度下的平衡常數(shù)相同，反應(yīng)是放熱反應(yīng)，溫度越高平衡常數(shù)越小，上圖中M、N、Q點(diǎn)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(diǎn)時(shí)氨的物質(zhì)的量的分?jǐn)?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(diǎn)時(shí)氨的物質(zhì)的量的分?jǐn)?shù)為20%，利用三段式，設(shè)N₂轉(zhuǎn)化率是b，N₂的起始濃度為a，
根據(jù)反應(yīng)N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）
起始    a       3a         0
轉(zhuǎn)化    ab       3ab       2ab
平衡   a-ab      3a-3ab      2ab
根據(jù)題意有$\left\{\begin{array}{l}{\frac{2ab}{a-ab+3a-3ab+2ab}=20%}\\{2ab=0.2mol•L{\;}^{-1}}\end{array}\right.$，所以a=0.3mol•L^-1，b=$\frac{1}{3}$，所以平衡常數(shù)K=$\frac{（2ab）^{2}}{（a-ab）•（{3a-3ab）}^{3}}$=0.93，故E正確，
故選：ACDE；
（3）根據(jù)蓋斯定律，①2NH₃（g）+CO₂（g）═H₂NCOONH₄（s）△H=-272kJ•mol^-1；②H₂NCOONH₄（s）═CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g）△H=+138kJ•mol^-1；將①+②可得以NH₃、CO₂為原料合成尿素的熱化學(xué)方程式為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)生的是第一步反應(yīng)，氨基甲酸銨先增大再減小最后達(dá)到平衡，發(fā)生的是第二部反應(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(shí)，物質(zhì)的量不再變化，即反應(yīng)達(dá)到平衡，所以總反應(yīng)進(jìn)行到55min時(shí)到達(dá)平衡，
故答案為：二；55；
②反應(yīng)進(jìn)行到10 min時(shí)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(dòng)，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(diǎn)評 本題考查了熱化學(xué)方程式的書寫、化學(xué)平衡的計(jì)算，題目難度中等，注意掌握蓋斯定律的內(nèi)容及應(yīng)用方法，能夠利用三段式進(jìn)行化學(xué)平衡的計(jì)算，明確反應(yīng)速率的概念及計(jì)算方法，試題培養(yǎng)了學(xué)生的分析、理解能力及化學(xué)計(jì)算能力．