Question

6．尿素[CO（NH₂）₂]是首个由无机物人工合成的有机物．
（1）工业上尿素由CO₂和NH₃在一定条件下合成，其反应方程式为2NH₃+CO₂$\frac{\underline{\;一定条件\;}}{\;}$CO（NH₂）₂+H₂O
（2）当氨碳比=2.5，CO₂的转化率随时间的变化关系如图1所示．
则A点的逆反应速率v_逆（CO₂）小于B点的正反应速率为v_正（CO₂）（填“大于”、“小于”或“等于”）．NH₃的平衡转化率为48% ．
（3）人工肾脏可用间接电化学方法除去代谢产物中的尿素，原理如图2．
①电源的负极为B（填“A”或“B”）．
②阳极室中发生的反应为6Cl^--6e^-═3Cl₂↑，CO（NH₂）₂+3Cl₂+H₂O═N₂+CO₂+6HCl
③电解结束后，阴极室溶液的pH与电解前相比将不变（填“变大”、“变小”或“不变”）；若两极共收集到气体 15.68L（标准状况），则除去的尿素为7.2 g（忽略气体的溶解）．

Answer 1

分析 （1）CO₂和NH₃合成CO（NH₂）₂，根据元素守恒可知，同时还有H₂O生成，配平书写方程式；
（2）由CO₂的转化率随时间变化图可知在A点时反应还未达到平衡状态，反应仍将继续正向进行；设CO₂的初始物质的量为a，则NH₃的初始物质的量为4a，由图可知，CO₂的转化率为60%，故转化的二氧化碳为0.6a，根据方程式计算转化的NH₃的物质的量，再根据转化率定义计算；
（3）①根据电解池中阴离子在阳极放电和阳离子在阴极放电的规律，结合本题图中的电极产物H₂和Cl₂可以判断出A为电源的正极，B为电源的负极；
②由图可知，阳极室首先是氯离子放电生成氯气，氯气再氧化尿素生成氮气、二氧化碳，同时会生成HCl；
③阴极反应为：6H₂O+6e^-═6OH^-+3H₂↑（或6H⁺+6e^-═3H₂↑）；
阳极反应为：6Cl^--6e^-═3Cl₂↑，CO（NH₂）₂+3Cl₂+H₂O═N₂+CO₂+6HCl；
根据上述反应式可以看出在阴、阳极上产生的OH^-、H⁺的数目相等，阳极室中反应产生的H⁺通过质子交换膜进入阴极室与OH^-恰好反应生成水，所以阴极室中电解前后溶液的pH不变；
由上述反应式可以看出，转移6 mol e^-时，阴极产生3 mol H₂，阳极产生1 mol N₂和1 mol CO₂，根据n=$\frac{V}{Vm}$计算两极产生的气体的物质的量，利用气体中各组分的比例关系，计算n（N₂）=n（CO₂），再根据方程式计算尿素的物质的量，根据m=nM计算尿素的质量．

解答 解：（1）CO₂和NH₃合成CO（NH₂）₂，根据元素守恒可知，同时还有H₂O生成，化学方程式为：
2NH₃+CO₂$\frac{\underline{\;一定条件\;}}{\;}$CO（NH₂）₂+H₂O，故答案为：2NH₃+CO₂$\frac{\underline{\;一定条件\;}}{\;}$CO（NH₂）₂+H₂O；
（2）由CO₂的转化率随时间变化图可知在A点时反应还未达到平衡状态，反应仍将继续正向进行，故v_逆（CO₂）小于B点平衡时的化学反应速率，设CO₂的初始物质的量为a，则NH₃的初始物质的量为2.5a，由图可知，CO₂的转化率为60%，故转化的二氧化碳为a×60%=0.6a，根据方程式可知，转化的NH₃的物质的量为0.6a×2=1.2a，故平衡时氨气的转化率定$\frac{1.2a}{2.5a}$×100%=48%，
故答案为：小于；48%；
（3）①由图可知，左室电极产物为Cl₂，发生氧化反应，故A为电源的正极，右室电解产物H₂，发生还原反应，故B为电源
的负极，故答案为：B；
②由图可知，阳极室首先是氯离子放电生成氯气，氯气再氧化尿素生成氮气、二氧化碳，同时会生成HCl，阳极室中发生的反应依次为：6Cl^--6e^-═3Cl₂↑，CO（NH₂）₂+3Cl₂+H₂O═N₂+CO₂+6HCl，
故答案为：6Cl^--6e^-═3Cl₂↑，CO（NH₂）₂+3Cl₂+H₂O═N₂+CO₂+6HCl；
③阴极反应为6H₂O+6e^-═6OH^-+3H₂↑（或6H⁺+6e^-═3H₂↑）
阳极反应为6Cl^--6e^-═3Cl₂↑，CO（NH₂）₂+3Cl₂+H₂O═N₂+CO₂+6HCl
根据上述反应式可以看出在阴、阳极上产生的OH^-、H⁺的数目相等，阳极室中反应产生的H⁺通过质子交换膜进入阴极室与OH^-恰好反应生成水，所以阴极室中电解前后溶液的pH不变；由上述反应式可以看出，转移6 mol e^-时，阴极产生3 mol H₂，阳极产生1 mol N₂和1 mol CO₂，故电解收集到的13.44 L气体，物质的量为$\frac{13.44L}{22.4L/mol}$=0.6mol，即n（N₂）=n（CO₂）=0.6mol×$\frac{1}{5}$=0.12 mol，
根据方程式CO（NH₂）₂+3Cl₂+H₂O═N₂+CO₂+6HCl可知生成0.12 mol N₂所消耗的CO（NH₂）₂的物质的量也为0.12 mol，其质量为：m[CO（NH₂）₂]=0.12 mol×60 g•mol^-1=7.2 g．
故答案为：不变，7.2．

点评 考查化学平衡的计算、电解池原理与有关计算，难度较大，（3）中关键注意观察电极产物，判断发生的反应，注意根据方程式判断左室中PH值的变化．