Question

12．二氧化碳的过度排放会引发气候问题，而进行有效利用则会造福人类，如以CO₂和NH₃为原料合成尿素．经研究发现该反应过程为：

①C0₂（g）+2NH₃（g）?NH₂COONH₄（s）△H₁
②NH₂COONH₄（s）?CO（NH₂）₂（s）+H₂0（g）△H₂＞0 请回答下列问题：
（1）研究反应①的平衡常数（K）与温度（T）的关系，如图1所示，则△H₁＜． （选填“＞”、“＜”或）．
（2）有体积可变（活塞与容器之间的摩擦力忽略不计）的密闭容器如图2所示，现将3molNH₃和2molC0₂放人 容器中，移动活塞至体积V为3L，用铆钉固定在A、B点，发生合成尿素的总反应如下：
C0₂（g）+2NH₃（g）?CO（NH₂）₂（s）+H₂0（g）测定不同条件、不同时间段内的C0₂的转化率，得到如下数据：

CO2转化率 T（℃）	10min	20min	30min	40min
T1	30%	65%	75%	75%
T	45%	50%	a1	a2

①T₁℃下，lOmin内NH₃的平均反应速率为0.04mol•L^-1•min^-1．
②根据上表数据，请比较T₁＜T₂（选填“＞”、“＜”或）；T₂℃下，第30min时，a₁50%，该温度下的化学平衡常数为9．
③T₂℃下，第40min时，拔去铆钉（容器密封性良好）后，活塞没有发生移动．再向容器中通入3molC0₂，此时v（正）= v（逆）（选填“＞”、“＜”或），判断的理由是T₂℃下，通入3molC0₂，则容器体积变为原来的2倍，Qc=9=K，平衡不移动．
（3）请在图中2补画出合成氨总反应2NH₃（g）+C0₂（g）?C0（NH₂）₂（s）+H₂O（g）过程中能量变化图，并标明中间产物〔NH₂COONH₄（s）〕、生成物〔CO（NH₂）₂（s）+H₂0（g）〕．

Answer 1

分析 （1）根据温度对平衡移动的影响判断反应热的符号；
（2）①根据v=$\frac{△c}{△t}$进行计算；
②升高温度，化学反应速率加快，依此根据10min内，T₂时CO₂转化率大于T₁时判断温度的高低；
T₂℃下，10min时CO₂转化率为45%，20min时CO₂转化率为50%，10-20min只转化5%，说明20min时已达平衡状态，依此判断第30min时CO₂转化率；
根据平衡常数等于生成物的浓度幂之积除以反应物的浓度幂之积进行计算；
③根据浓度商和平衡常数的大小关系，判断反应进行的方向；
（3）当反应物的能量高于生成物的能量时，反应是放热反应，当反应物的能量低于生成物的能量时，反应是吸热反应；根据反应①②的能力变化情况作图．

解答 解：（1）根据图象可知达到平衡后，温度越高，平衡常数越小，说明升高温度平衡逆向移动，则正反应方向为放热反应，则△H＜0，
故答案为：＜；
（2）①C0₂（g）+2NH₃（g）?CO（NH₂）₂（s）+H₂0（g），
T₁℃下，lOmin内CO₂转化率为30%，故参加反应的二氧化碳的物质的量为：2mol×30%=0.6mol，则参加反应的氨气的物质的量为：0.6mol×2=1.2mol，
故lOmin内NH₃的平均反应速率为$\frac{\frac{1.2mol}{3L}}{10min}$=0.04mol•L^-1•min^-1，
故答案为：0.04mol•L^-1•min^-1；
②升高温度，化学反应速率加快，10min内，T₂时CO₂转化率大于T₁时，故T₂＞T₁；
T₂℃下，10min时CO₂转化率为45%，20min时CO₂转化率为50%，10-20min只转化5%，说明20min时已达平衡状态，故第30min时，CO₂转化率为50%；
平衡时，CO₂转化率为50%，故参加反应的二氧化碳的物质的量为：2mol×50%=1mol，则参加反应的氨气的物质的量为：1mol×2=2mol，生成水蒸气的物质的量为1mol，则平衡时，二氧化碳的物质的量为2-1=1mol，氨气的物质的量为3-2=1mol，水蒸气的物质的量为1mol，故平衡常数K=$\frac{c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）•{c}^{2}（N{H}_{3}）}$=$\frac{\frac{1}{3}}{\frac{1}{3}×\frac{1}{3}×\frac{1}{3}}$=9，
故答案为：＜，50%，9；
③T₂℃下，原反应达平衡时，二氧化碳的物质的量为1mol，氨气的物质的量为1mol，水蒸气的物质的量为1mol，则气体总的物质的量为3mol，T₂℃下，第40min时，拔去铆钉（容器密封性良好）后，活塞没有发生移动．再向容器中通入3molC0₂，则容器体积变为原来的2倍，即3L×2=6L，Qc=$\frac{\frac{1}{6}}{\frac{4}{6}×\frac{1}{6}×\frac{1}{6}}$=9=K，故平衡不移动，v（正）=v（逆），
故答案为：=，T₂℃下，通入3molC0₂，则容器体积变为原来的2倍，Qc=9=K，平衡不移动；
（3）当反应物的能量高于生成物的能量时，反应是放热反应，当反应物的能量低于生成物的能量时，反应是吸热反应，据反应①C0₂（g）+2NH₃（g）?NH₂COONH₄（s）△H₁＜0，反应②NH₂COONH₄（s）?CO（NH₂）₂（s）+H₂0（g）△H₂＞0可以知道2NH₃（g）和CO₂（g）的能量和高于NH₂COONH₄（s）的能量，NH₂COONH₄（s）的能量低于CO（NH₂）₂（I）+H₂O（I）的能量，故合成氨总反应2NH₃（g）+C0₂（g）?C0（NH₂）₂（s）+H₂O（g）过程中能量变化图为：，
故答案为：．

点评 本题考查化学反应速率影响因素及相关计算、化学平衡的移动原理、平衡常数的相关计算等知识，难度较大．