题目内容

3．尿素是蛋白质代谢的产物，也是重要的化学肥料．工业合成尿素反应如下：
2NH3（g）+CO2（g）═CO（NH2）2（s）+H2O（g）
（1）在一个真空恒容密闭容器中充入CO2和NH3发生上述反应合成尿素，恒定温度下混合气体中的氨气含量如图1所示．

A点的正反应速率v正（CO2）＞B点的逆反应速率v逆（CO2）（填“＞”、“＜”或“=”）；氨气的平衡转化率为75%．
（2）氨基甲酸铵是合成尿素的一种中间产物．将体积比为2：1的NH3和CO2混合气体充入一个容积不变的真空密闭容器中，在恒定温度下使其发生下列反应并达到平衡：2NH3（g）+CO2（g）═NH2COONH4（s）将实验测得的不同温度下的平衡数据列于表：
温度（℃）15.020.025.030.035.0
平衡气体总浓度 （10-3mol/L）2.43.44.86.89.4
①关于上述反应的焓变、熵变说法正确的是A．
A．△H＜0，△S＜0            B．△H＞0，△S＜0    C．△H＞0，△S＞0            D．△H＜0，△S＞0
②关于上述反应的平衡状态下列说法正确的是C
A．分离出少量的氨基甲酸铵，反应物的转化率将增大
B．平衡时降低体系温度，CO2的体积分数下降
C．NH3的转化率始终等于CO2的转化率
D．加入有效的催化剂能够提高氨基甲酸铵的产率
③氨基甲酸铵极易水解成碳酸铵，酸性条件水解更彻底．将氨基甲酸铵粉末逐渐加入1L0.1mol/L的盐酸溶液中直到pH=7（室温下，忽略溶液体积变化），共用去0.052mol氨基甲酸铵，此时溶液中几乎不含碳元素．此时溶液中c（NH4+）=0.1mol/L；（填具体数值）NH4+水解平衡常数值为4×10-9．
（3）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，写出该电池的负极反应式：CO（NH2）2+H2O-6e-═N2↑+CO2↑+6H+．

分析 （1）氨气的体积分数从50%变化为20%后体积分数保持不变，说明B点反应达到平衡状态，A点氨气体积百分含量大于B的氨气体积百分含量，说明反应正向进行达到平衡状态；
设氨气消耗物质的量x，开始氨气体积分数为50%，假设氨气为50mol，二氧化碳为50mol，
                      CO2+2NH3?（NH2）2CO+H2O
起始量（mol） 50     50           0                 0
变化量（mol） 0.5x   x          0.5x              0.5x
平衡量（mol）50-0.5x 50-x    0.5x               0.5x
氨气的体积分数=$\frac{50-x}{50-0.5x+50-x+0.5x}$=20%，
以此计算转化率；
（2）①根据表中的数据分析：温度越高，则平衡气体的总浓度越大，所以升高温度，平衡逆向移动，正反应反应是放热反应；反应物是气体，产物是固体，该反应是熵减小的过程；
②A．因为氨基甲酸铵为固体，分离出少量的氨基甲酸铵，平衡不移动；
B．平衡时降低体系温度，平衡向放热方向即正反应方向移动，又氨基甲酸铵为固体，所以NH3和CO2始终为2：1；
C．因为体积比为2：1的NH3和CO2混合气体充入反应，NH3和CO2又按照2：1的消耗，所以NH3的转化率始终等于CO2的转化率；
D．催化剂只改变速率，不改变平衡移动；
③因为氨基甲酸铵极易水解成碳酸铵，即反应式为NH2COONH4（s）+H2O?（NH4）2CO3，加入1L0.1mol/L的盐酸溶液中直到溶液pH=7并且溶液中几乎不含碳元素，所以溶液中只有H+、NH4+、OH-、Cl-，根据电荷守恒c（NH4+）=c（Cl-）=0.1mol/L，又用去0.052mol氨基甲酸铵，所以开始溶液中的铵根离子浓度为0.052mol/L×2=0.104mol/L，
            NH4++H2O?NH3•H2O+H+；
开始 0.104mol/L        0         
转化 0.004mol/L   0.004mol/L  
平衡 0.1mol/L     0.004mol/L
又溶液为pH=7，所以氢离子浓度为10-7mol/L，以此计算NH4+水解平衡常数K；
（3）尿素燃料电池中尿素在负极上失去电子生成氮气、二氧化碳．

解答 解：（1）氨气的体积分数从50%变化为20%后体积分数保持不变，说明B点反应达到平衡状态，A点氨气体积百分含量大于B的氨气体积百分含量，说明反应正向进行达到平衡状态，A点的正反应速率大于B点的正反应速率，故v正（CO2）＞v逆（CO2）；
设氨气消耗物质的量x，开始氨气体积分数为50%，假设氨气为50mol，二氧化碳为50mol，
                       CO2+2NH3?（NH2）2CO+H2O
起始量（mol） 50     50           0                 0
变化量（mol） 0.5x   x          0.5x              0.5x
平衡量（mol）50-0.5x 50-x    0.5x               0.5x
氨气的体积分数=$\frac{50-x}{50-0.5x+50-x+0.5x}$=20%，
解得x=37.5mol，
氨气的平衡转化率=$\frac{37.5mol}{50mol}$×100%=75%，
故答案为：＞；75%；
（2）①根据表中的数据分析：温度越高，则平衡气体的总浓度越大，所以升高温度，平衡逆向移动，正反应反应是放热反应，故△H＜0；
反应物是气体，产物是固体，该反应是熵减小的过程，即，△S＜0，
故答案为：A；
②A．因为氨基甲酸铵为固体，分离出少量的氨基甲酸铵，平衡不移动，所以反应物的转化率不变，故A错误；
B．平衡时降低体系温度，平衡向放热方向即正反应方向移动，又氨基甲酸铵为固体，所以NH3和CO2始终为2：1，则CO2的体积分数不变，故B错误；
C．因为体积比为2：1的NH3和CO2混合气体充入反应，NH3和CO2又按照2：1的消耗，所以NH3的转化率始终等于CO2的转化率，故C正确；
D．催化剂只改变速率，不改变平衡移动，所以加入有效的催化剂不能够提高氨基甲酸铵的产率，故D错误；
故答案为：C；
③因为氨基甲酸铵极易水解成碳酸铵，即反应式为NH2COONH4（s）+H2O?（NH4）2CO3，加入1L0.1mol/L的盐酸溶液中直到溶液pH=7并且溶液中几乎不含碳元素，所以溶液中只有H+、NH4+、OH-、Cl-，根据电荷守恒c（NH4+）=c（Cl-）=0.1mol/L，又用去0.052mol氨基甲酸铵，所以开始溶液中的铵根离子浓度为0.052mol/L×2=0.104mol/L，
         NH4++H2O?NH3•H2O+H+；
开始 0.104mol/L        0         
转化 0.004mol/L   0.004mol/L  
平衡 0.1mol/L     0.004mol/L
又溶液为pH=7，所以氢离子浓度为10-7mol/L，则NH4+水解平衡常数K=$\frac{c（N{H}_{3}．{H}_{2}O）c（{H}^{+}）}{c（N{{H}_{4}}^{+}）}$=$\frac{0.004×1{0}^{-7}}{0.1}$=4×10-9，
故答案为：0.1mol/L；4×10-9；
（3）尿素燃料电池中尿素在负极上失去电子生成氮气、二氧化碳，则负极反应为：CO（NH2）2+H2O-6e-═N2↑+CO2↑+6H+，
故答案为：CO（NH2）2+H2O-6e-═N2↑+CO2↑+6H+．

点评 本题考查化学平衡的计算，为高频考点，把握化学平衡三段法、转化率计算等为解答的关键，侧重分析与计算能力的考查，注意水解平衡常数的计算及电极反应的书写为解答的难点，题目难度不大．

练习册系列答案
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