Question

7．尿素[CO（NH₂）₂]是一种非常重要的高氮化肥，以天然气（含H₂S）为原料合成尿素的主要步骤如图1所示（图中某些转化步骤未列出）．

请回答下列问题：
（1）反应①的离子方程式是CO₃^2-+CO₂+H₂O═2HCO₃^-
（2）天然气脱硫后产生的Fe₂S₃和H₂O与0₂反应的化学方程式是2Fe₂S₃+6H₂O+3O₂═4Fe（OH）₃+6S．
（3）反应②N₂+3H₂?2NH₃△H＜0，温度升高，该反应的平衡常数减小 （填“增大”、“减小”或“不     变”）．如   该反应在恒容恒温条件下进行，下列说法能判断达到平衡的是AC．
A．单位时间内生成nmol N₂同时消耗3nmol H₂ 
B．混合气体的密度不变
C．混合气体的平均摩尔质量不变             
D．N₂、H₂、NH₃浓度之比为1：3：2
（4）H₂NCOONH₄ （氨基甲酸铵）是合成尿素的中间体，H₂NCOONH₄在水溶液中要发生水解反应，其水解反应的离子方程式为：H₂NCOO^-+NH₄⁺+H₂O?H₂NCOOH+NH₃•H₂O．
（5）如果整个生产过程釆用绿色化学工艺，则生产120t尿素理论上需要CH₄4.48×10⁴_m³ （标准状况）．
（6）化学家正在研究尿素动力燃料电池，尿液也能发电！用这种电池直接去除城市废水中的尿素，既能产生净化的水又能发电．尿素燃料电池结构如图2所示，工作时负极的电极反应式为CO（NH₂）₂+H₂O-6e^-═N₂↑+CO₂↑+6H⁺．

Answer 1

分析 以天然气（含H₂S）为原料，加入氢氧化铁脱硫得到甲烷和Fe₂S₃，通入氧气发生反应生成氢氧化铁和硫单质，氢氧化铁循环使用，甲烷和空气水混合反应得到氮气、二氧化碳和氢气，通入碳酸钾溶液发生反应得到碳酸氢钾，高温分解生成二氧化碳，氮气和氢气一定条件下反应生成氨气，二氧化碳和氨气反应得到尿素；
（1）反应①发生二氧化碳与碳酸钾溶液反应生成碳酸氢钾；
（2）Fe₂S₃和H₂O与0₂反应生成氢氧化铁和S；
（3）反应②为合成氨的反应，放热反应，温度升高，平衡逆向移动；可逆反应N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）达到平衡状态，一定满足正逆反应速率相等，反应体系中各组分的浓度、百分含量不再变化；该反应是气体体积缩小的反应，反应过程中压强会发生变化，据此进行判断；
（4）由C原子守恒可知，CH₄～CO₂～CO（NH₂）₂，以此计算；
（5）尿素燃料电池中尿素再负极上失去电子生成氮气、二氧化碳．

解答 解：（1）反应①发生二氧化碳与碳酸钾溶液反应生成碳酸氢钾，其离子反应为CO₃^2-+CO₂+H₂O═2HCO₃^-，
故答案为：CO₃^2-+CO₂+H₂O═2HCO₃^-；
（2）Fe₂S₃和H₂O与0₂反应生成氢氧化铁和S，该反应为2Fe₂S₃+6H₂O+3O₂═4Fe（OH）₃+6S，
故答案为：2Fe₂S₃+6H₂O+3O₂═4Fe（OH）₃+6S；
（3）反应②为合成氨的反应，放热反应，温度升高，平衡逆向移动，则平衡常数K减小，N₂+3H₂?2NH₃ △H＜0，反应是气体体积减小的放热反应，
A．反应速率之比等于化学方程式计量数之比，单位时间内生成nmol N₂同时消耗3nmol H₂，说明正逆反应速率相同，反应达到平衡状态，故A正确；
B．反应前后气体质量和体积不变，混合气体的密度始终不变，不能说明反应达到平衡状态，故B错误；
C．反应前后气体物质的量发生变化，气体质量不变混合气体的平均摩尔质量不变 说明反应达到平衡状态，故C正确；
D．N₂、H₂、NH₃浓度之比为1：3：2不能说明反应达到平衡状态，故D错误；
故答案为：减小，AC；
（4）H₂NCOONH₄ （氨基甲酸铵）是合成尿素的中间体，H₂NCOONH₄在水溶液中要发生水解反应生成氨基甲酸和一水合氨，反应的离子方程式为：H₂NCOO^-+NH₄⁺+H₂O?H₂NCOOH+NH₃^●H₂O，
故答案为：H₂NCOO^-+NH₄⁺+H₂O?H₂NCOOH+NH₃^●H₂O；
（5）由C原子守恒可知，CH₄～CO₂～CO（NH₂）₂，则生产120t尿素理论上需要CH₄为$\frac{120×1{0}^{6}g}{60g/mol}$×22.4L/mol×10^-3m³=4.48×10⁴m³，
故答案为：4.48×10⁴；
（6）尿素燃料电池中尿素再负极上失去电子生成氮气、二氧化碳，负极反应为CO（NH₂）₂+H₂O-6e^-═N₂↑+CO₂↑+6H⁺，
故答案为：CO（NH₂）₂+H₂O-6e^-═N₂↑+CO₂↑+6H⁺．

点评 本题以尿素的合成为信息考查化学用语及化学平衡、电化学等知识，综合性较强，题目难度中等，（5）为学生解答的难点和易错点．