Question

3．工业生产硝酸铵的流程如图1所示
（1）硝酸铵的水溶液呈（填“酸性”、“中性”或“碱性”）；其水溶液中各离子的浓度大小顺序为：c（NO₃^-）＞c（NH₄⁺）＞c（H⁺）＞c（OH^-）
（2）已知N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H＜0，当反应器中按n（N₂）：n（H₂）=1：3投料，分别在200℃、400℃、600℃下达到平衡时，混合物中NH₃的物质的量分数随压强的变化曲线如图2．
①曲线a对应的温度是200℃．
②关于工业合成氨的反应，下列叙述正确的是ACDE
A．及时分离出NH₃可以提高H₂的平衡转化率
B．P点原料气的平衡转化率接近100%，是当前工业生产工艺中采用的温度、压强条件
C．图2中M、N、Q点平衡常数K的大小关系是K（M）=K（Q）＞K（N）
D．M点对应的H₂转化率是75%
E．如果N点时c（NH₃）=0.2mol•L^-1，N点的化学平衡常数K≈0.93
（3）尿素（H₂NCONH₂）是一种非常重要的高效氮肥，工业上以NH₃、CO₂为原料生产尿素，该反应实际为二步反应：
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
写出工业上以NH₃、CO₂为原料合成尿素的热化学方程式：2NH₃（g）+CO₂（g）?H₂O（g）+CO（NH₂）₂ （s）△H=-134kJ/mol
（4）某实验小组模拟工业上合成尿素的条件，在一体积为0.5L密闭容器中投入4mol氨和1mol二氧化碳，实验测得反应中各组分随时间的变化如图3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二步反应决定，总反应进行到55min时到达平衡．
②反应进行到10min时测得CO₂的物质的量如图3所示，则用CO₂表示的第一步反应的速率v（CO₂）=0.148mol•L^-1•min^-1．
③在图4中画出第二步反应的平衡常数K随温度的变化的示意图．

Answer 1

分析 （1）硝酸铵溶液中铵根离子水解，使溶液呈酸性；
（2）①正反应是放热反应，升高温度平衡逆向移动，氨气的含量减小；
②A．减小生成物浓度平衡正向移动；
B．P点原料气的平衡转化率接近100%，但此时压强为100MPa，高压对设备的要求太高，导致成本高，不是当前工业生产工艺中采用的温度、压强条件；
C．K只受温度影响，温度不变平衡常数不变，正反应为放热反应，升高温度平衡逆向移动，平衡常数减小；
D．M点时氨的物质的量的分数为60%，根据反应N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）利用三段式计算；
E．计算平衡时各组分浓度，代入K=$\frac{{c}^{2}（N{H}_{3}）}{c（{N}_{2}）×{c}^{3}（{H}_{2}）}$计算平衡常数；
（3）已知：①2NH₃（g）+CO₂（g）═H₂NCOONH₄（s）△H=-272kJ•mol^-1；
②H₂NCOONH₄（s）═CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g）△H=+138kJ•mol^-1；
根据盖斯定律，①+②可得：2NH₃（g）+CO₂（g）?H₂O（g）+CO（NH₂）₂ （s）；
（4）①已知总反应的快慢由慢的一步决定，反应快慢可以依据第一步和第二步反应的曲线斜率比较大小；
②根据图象中二氧化碳在10 min时测得CO₂的物质的量计算出用CO₂表示的第一步反应的速率v（CO₂）；
③第二步反应为吸热反应，升高温度平衡向正反应方向移动，平衡常数增大．

解答 解：（1）硝酸铵溶液中铵根离子水解，会使溶液呈酸性，所以溶液中离子浓度大小关系是c（NO₃^-）＞c（NH₄⁺）＞c（H⁺）＞c（OH^-），
故答案为：酸性；c（NO₃^-）＞c（NH₄⁺）＞c（H⁺）＞c（OH^-）；
（2）①合成氨的反应为放热反应，反应温度越高，越不利于反应正向进行，曲线a的氨气的物质的量分数最高，其反应温度对应相对最低，所以a曲线对应温度为200°C；
故答案为：200℃；
②A．及时分离出NH₃，可以使平衡正向进行，可以提高H₂的平衡转化率，故A正确；
B．P点原料气的平衡转化率接近100%，但此时压强为100MPa，高压对设备的要求太高，导致成本高，当前工业生产工艺中采用的500℃、20MPa～50MPa，故B错误；
C．平衡常数与温度有关，与其他条件无关，温度相同时平衡常数相同，反应是放热反应，温度越高平衡常数越小，则M、N、Q点平衡常数K的大小关系是K（M）=K（Q）＞K（N），故C正确；
D．M点时氨的物质的量的分数为60%，利用三段式，设H₂转化率是x
根据反应N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）
起始        1            3                0
转化        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正确；
E．N点时c（NH₃）=0.2mol•L^-1，氨气体积分数为20%，则：
                               N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）
起始浓度（mol/L）：x             3x                 0
变化浓度（mol/L）：0.1           0.3              0.2
平衡浓度（mol/L）：x-0.1       3x-0.3           0.2
所以$\frac{0.2}{4x-0.2}$=20%，解得x=0.3，平衡常数K=$\frac{{c}^{2}（N{H}_{3}）}{c（{N}_{2}）×{c}^{3}（{H}_{2}）}$=$\frac{0．{2}^{2}}{0.2×0．{6}^{3}}$≈0.93，故E正确，
故选：ACDE；
（3）已知：①2NH₃（g）+CO₂（g）═H₂NCOONH₄（s）△H=-272kJ•mol^-1；
②H₂NCOONH₄（s）═CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g）△H=+138kJ•mol^-1；
根据盖斯定律，①+②可得：2NH₃（g）+CO₂（g）?H₂O（g）+CO（NH₂）₂ （s）△H=-134kJ/mol，
故答案为：2NH₃（g）+CO₂（g）?H₂O（g）+CO（NH₂）₂ （s）△H=-134kJ/mol；
（4）①由图象可知在15分钟左右，氨气和二氧化碳反应生成氨基甲酸铵后不再变化发生的是第1步反应，氨基甲酸铵先增大再减小最后达到平衡，发生的是第二步反应，从曲线斜率不难看出第二步反应速率慢，所以合成尿素总反应的快慢由第二步反应决定，根据图可知，尿素在55分钟时，物质的量不再变化，即反应达到平衡，所以总反应进行到55min时到达平衡，
故答案为：二；55；
②反应进行到10 min时测得CO₂的物质的量为0.26mol，二氧化碳的浓度变化为：c（CO₂）=$\frac{1mol-0.26mol}{0.5L}$=1.48mol/L，
则用CO₂表示的第一步反应的速率v（CO₂）=$\frac{1.48mol/L}{10min}$=0.148 mol/（L•min），
故答案为：0.148；
③第2步反应为吸热反应，升高温度平衡向正反应方向移动，平衡常数增大，所以第二步反应的平衡常数K随温度的变化的示意图为，
故答案为：．

点评 本题考查化学平衡计算与影响因素、化学平衡图象、热化学方程式的书写、盐类水解等，试题知识点较多、综合性较强，充分考查了学生的分析、理解能力及化学计算能力，题目难度中等．