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(yīng)分為如下兩步：

若按如圖1物質(zhì)的狀態(tài)，反應(yīng)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(xué)方程式為2NH₃（g）+CO₂（g）?CO（NH₂）₂（s）+H₂O（l）△H=-134kJ/mol．
②總反應(yīng)的平衡常數(shù)表達(dá)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(yīng)．在恒溫恒容條件，反應(yīng)物總物質(zhì)的量恒定為3mol，以不同的氨碳比充入體系進(jìn)行反應(yīng)，測(cè)得平衡體系中各組分的變化如圖2．圖3為n（NH₃）/n（CO₂）=4時(shí)，測(cè)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(yīng)的快慢由反應(yīng)ii （填“ⅰ”或“ⅱ”）決定．
②若起始溫度相同，反應(yīng)改為在絕熱（與外界沒(méi)有熱量交換）容器中進(jìn)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(yīng)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?jǐn)?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(diǎn)對(duì)應(yīng)的y值=36.4．
④若其他條件不變，下列措施能同時(shí)提高化學(xué)反應(yīng)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(xué)的研究人員研究出一種方法，可實(shí)現(xiàn)水泥生產(chǎn)時(shí)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(yīng)在溫度小于900℃時(shí)碳酸鈣先分解為CaO和CO₂，則陽(yáng)極的電極反應(yīng)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(jí)電離常數(shù)K₂=10^-10.2．

Answer 1

分析 （1）①題目所給的反應(yīng)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(yīng)生成最后產(chǎn)物放出能量為（272-138）kJ，然后寫出熱化學(xué)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(shí)NH₃和CO₂濃度不再變化，其他物質(zhì)還在變化，說(shuō)明反應(yīng)ii更慢；
②因?yàn)榉磻?yīng)為放熱反應(yīng)，升高溫度，平衡逆移；
③因?yàn)镹H₃和CO₂物質(zhì)的量總和不變，增加一種反應(yīng)物的量可以提高其他反應(yīng)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(jì)算可知，平衡時(shí)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(shí)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(dòng)；
C．加入催化劑反應(yīng)速率加快；
D．除去體系中的水蒸氣減小反應(yīng)速率，但平衡向右移動(dòng)；
（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(yīng)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(jì)算．

解答 解：（1）①題目所給的反應(yīng)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(yīng)生成最后產(chǎn)物放出能量為（272-138）kJ，則熱化學(xué)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(yīng)為2NH₃（g）+CO₂（g）?CO（NH₂）₂（s）+H₂O（l），則反應(yīng)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(shí)NH₃和CO₂濃度不再變化，其他物質(zhì)還在變化，說(shuō)明反應(yīng)ii更慢，所以反應(yīng)ii決定總反應(yīng)的速率；
故答案為：ii；
②因?yàn)樵摲磻?yīng)為放熱反應(yīng)，起始溫度相同，在絕熱容器中進(jìn)行，反應(yīng)體系溫度上升，平衡逆移，K減少；
故答案為：減少；
③因?yàn)镹H₃和CO₂物質(zhì)的量總和不變，增加一種反應(yīng)物的量可以提高其他反應(yīng)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(jì)算可知，平衡時(shí)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?jǐn)?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(shí)通入氦氣不影響速率和平衡，反應(yīng)各物質(zhì)的濃度不變，反應(yīng)速率不變，化學(xué)平衡不移動(dòng)，尿素產(chǎn)率不變，故A不選；
B．縮小體積，壓強(qiáng)增大，可以加快速率，促使平衡向右移動(dòng)，故B選；
C．加入催化劑反應(yīng)速率加快，化學(xué)平衡不移動(dòng)，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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(dāng)[CO₃^2-]=[HCO₃^-]時(shí)，K_a2=[H⁺]，由圖上曲線可知交點(diǎn)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(diǎn)評(píng) 本題考查了熱化學(xué)方程式的書寫、影響反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的因素、化學(xué)平衡計(jì)算、電解原理的應(yīng)用等，題目難度中等，側(cè)重于考查學(xué)生的分析能力、計(jì)算能力和對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的綜合應(yīng)用能力．