题目内容
合成氨然后再生产尿素是最重要的化工生产。
I.在3个2 L的密闭容器中,在相同的温度下、使用相同的催化剂分别进行反应:
3H2(g) + N2(g)2NH3(g),按不同方式投入反应物,保持恒温、恒容,测得反应达到平衡时有关数据如下:
| 甲 | 乙 | 丙 | ||
反应物投入量 | 3 mol H2、2 mol N2 | 6 mol H2、4mol N2 | 2 mol NH3 | ||
达到平衡的时间/min | | 5 | 8 | ||
平衡时N2的浓度/mol·L-1 | c1 | 1.5 | | ||
NH3的体积分数 | ω1 | | ω3 | ||
混合气体密度/g·L-1 | ρ1 | ρ2 | |
(1)容器乙中反应从开始到达平衡的反应速率为v(H2)=___________。
(2)在该温度下甲容器中反应的平衡常数K= (用含c1的代数式表示)。
(3)分析上表数据,下列关系正确的是________(填序号):
a.2c1 > 1.5 b.2ρ1 = ρ2 c.ω3 = ω1
II.工业上用氨气合成尿素(H2NCONH2)的反应在进行时分为如下两步:
第一步:2NH3(l)+CO2(g) H2NCOONH4 (l) (氨基甲酸铵) △H1
第二步:H2NCOONH4(l)H2O(l)+H2NCONH2(l) △H2
(4)某实验小组模拟工业上合成尿素的条件,在一体积为0.5 L密闭容器中投入4 mol氨和1mol二氧化碳,实验测得反应中各组分随时间的变化如左下图I所示:
①已知总反应的快慢由慢的一步决定,则合成尿素总反应的快慢由第 步反应决定。
②第二步反应的平衡常数K随温度T的变化如右上图II所示,则△H2 0;③若第一步反应升温时氨气浓度增大,请在图II中画出第一步反应K1随温度T变化曲线,并作出必要的标注。
(5)氨和尿素溶液都可以吸收硝工业尾气中的NO、NO2,将其转化为N2。
①尿素与NO、NO2三者等物质的量反应为:CO(NH2)2+NO+NO2 =CO2+2N2+2H2O
该反应中的氧化剂为 (写化学式)。
②已知:N2(g)+O2(g)= 2NO(g) △H ="a" kJ·mol-1
N2(g)+3H2(g)= 2NH3(g) △H2="bkJ·" kJ·mol-1
2H2(g)+O2(g)= 2H2O(g) △H=" c" kJ·mol-1
则4NH3(g) +4NO(g) +O2(g)= 4N2(g)+6H2O(g) △H= 。
③尿素燃料电池结构如下图所示。其工作时负极电极反应式可表示为 。
(16分)
I.(共8分)(1)0.3 mol·L-1· min-1(2分)[数据正确1分,单位1分]
(2)或(2分,不写单位不扣分)
(3) ab(2分,选1个且正确1分,错1个0分)
II.(共8分)(4)①二(1分,从氨、CO2曲线下降及氨基甲酸铵曲线升高看出第一步是快反应;从尿素曲线升高缓慢看出第二步是慢反应) ②>(1分)
③(2分)
(5)①NO、NO2(2分,对1个给1分,错1个0分)
② (3c—2a—2b)(2分)
③CO(NH2)2+H2O—6e-=CO2+N2+6H+(2分)
[以下化学方程式或离子方程式:如果2分,化学式1分、系数和条件合起来1分。如果是3分:无条件的方程化学式2分、系数1分;有条件的方程化学式1分、系数1分、条件1分]
答:-1446.6kJ·mol-1答案:CO(NH2)2+H2O—6e-=CO2+N2+6H+
解析试题分析:(1)先用定义式求v(N2),再用系数之必等于速率之比求v(H2),由于n/V=c,则乙容器中氮气的起始浓度为2mol/L,v(N2)=△c(N2)/△t=(2—1.5)mol/L÷5min=0.1mol/(L?min),由于v(H2)/v(N2)=3/1,则v(H2)=3v(N2)= 0.3mol/(L?min);(2)用三行数据法和定义式求甲容器中反应的平衡常数,则:
3H2(g) + N2(g) 2NH3(g)
起始浓度/mol?L-1 1.5 1 0
变化浓度/mol?L-1 3—3c1 1—c1 2—2c1
平衡浓度/mol?L-1 3c1—3 c1 2—2c1 (2分)
K==或;
(3)对比甲、乙容器,其他条件保持不变时,平衡时将甲容器容积减半,就能变为乙平衡,容积减半可以使氮气、氢气、氨气浓度都立即加倍,增大反应体系的压强,因为合成氨是气体体积缩小的反应,则平衡向正反应方向移动,达到新平衡时氮气的浓度减小,因此2c1 > 1.5,故a选项正确;对比甲、乙容器,由于反应物和生成物都是气体,反应前后气体物质的总质量不变,甲容器中混合气体总质量是乙的一半,两容器容积均为2L,由于混合气体的密度等于质量除以容器容积,则乙容器种混合气体密度是甲的2倍,故b选项正确;对比甲、丙容器可知,其他条件保持不变,丙容器中反应达到平衡后加入1molN2时,所达平衡与甲容器中平衡等效,由于平衡时加入了氮气,增大氮气浓度,使平衡向生成氨气的方向移动,则氨气的体积分数增大,因此甲丙容器中氨气的体积分数不相等,故c选项错误;
(4)①读图,从氨、CO2曲线快速下降及氨基甲酸铵曲线快速升高看出第一步是快反应;从尿素曲线升高缓慢看出第二步是慢反应,因此合成尿素总反应的快慢由第二步反应决定;②读图可知,升高温度,平衡常数K逐渐增大,根据化学平衡移动原理和平衡常数计算表达式可知,前者使平衡向吸热反应方向移动,后者说明平衡向正反应方向移动,则正反应是吸热反应,焓变大于0;依题意,氨气浓度增大,说明第一步反应所达平衡向逆反应方向移动,则第一步反应的平衡常数逐渐减小,由此可以在图II中画出第一步反应的平衡常数K1随温度升高而逐渐减小的曲线;
(5)①观察化学方程式,由于尿素中C、H、O的化合价分别为+4、+1、—2价,各元素化合价代数和为0,则氮元素为—3价,氮元素由尿素中的—3价升为0价,被氧化,则尿素是还原剂,氮元素由NO中的+2价降为0价,NO2中的+4价降为0价,均被还原,则NO、NO2都是该反应的氧化剂;②先将已知热化学方程式编号为①②③,观察发现③×3—①×2—②×2可以约去6H2(g),根据盖斯定律,可以得到热化学方程式:4NH3(g) +4NO(g) +O2(g)= 4N2(g)+6H2O(g) △H=" (3c—2a—2b)" kJ·mol-1;读图可知,负极主要反应物和产物分别为CO(NH2)2、N2,氮元素由—3价升为0价,根据电子守恒可得:CO(NH2)2—6e-→N2;根据质子交换膜必须用氢离子使左右电荷守恒,则CO(NH2)2—6e-→N2+6H+;根据H、O、C原子个数守恒,则CO(NH2)2+H2O—6e-=CO2+N2+6H+。
考点:考查化学反应原理,涉及平均反应速率的计算、平衡常数的计算、压强和浓度对平衡移动的影响、反应速率和化学平衡图像、氧化剂、盖斯定律、燃料电池负极反应式的书写等。
(14分)从能量的变化和反应的快慢等角度研究反应:。
(1)为了加快正反应速率,可以采取的措施有________(填序号,下同)。
A.使用催化剂 | B.提高氧气的浓度 |
C.提高反应的温度 | D.降低反应的温度 |
(3)从断键和成键的角度分析上述反应中能量的变化。已知:化学键的键能:
化学键 | H—H | O=O | H—O |
键能 | 436 | 496 | 463 |
(4)已知1克氢气完全燃烧生成液态水放出QKJ的热量,则氢气燃烧生成液态水的热化学反应方程式为
(5)氢氧燃料电池的总反应方程式为。其中,氢气在________(填“正”或“负”)极发生________反应(填“氧化”或“还原”)。电路中每转移0.2mol电子,标准状况下消耗H2的体积是________L。
金属铁用途广泛,高炉炼铁的总反应为:Fe2O3(s)+3CO(g)2Fe(s)+3CO2(g),请回答下列问题:
(1)一定温度下,在体积固定的密闭容器中发生上述反应,可以判断该反应已经达到平衡的是 。
A.密闭容器中总压强不变 |
B.密闭容器中混合气体的平均摩尔质量不变 |
C.密闭容器中混合气体的密度不变 |
D.c(CO)= c(CO2) |
(2)一定温度下,上述反应的化学平衡常数为3.0,该温度下将4molCO、2molFe2O3、6molCO2、5molFe加入容积为2L的密闭容器中,此时反应将向 反应方向进行(填“正”或“逆”或“处于平衡状态”);反应达平衡后,若升高温度,CO与CO2的体积比增大,则正反应为 反应(填“吸热”或“放热”) 。
(3)已知:3Fe2O3(s)+CO(g)2Fe3O4(s)+CO2(g) △H="–47" kJ/mol
Fe3O4(s)+CO(g)3FeO(s)+CO2(g) △H=" +19" kJ/mol
FeO(s)+CO(g)Fe(s)+CO2(g) △H="–11" kJ/mol
则Fe2O3(s)+3CO(g)2Fe(s)+3CO2(g)的△H= 。
(4)上述总反应在高炉中大致分为三个阶段,各阶段主要成分与温度的关系如下表:
温度 | 250℃ ~ 600℃ ~ 1000℃ ~ 2000℃ |
主要成分 | Fe2O3 Fe3O4 FeO Fe |
800℃时固体物质的主要成分为 ,该温度下若测得固体混合物中m(Fe)︰m(O)=105︰32,则Fe3O4被CO还原为FeO的百分率为 (设其它固体杂质中不含Fe、O元素)。