题目内容

15.工业上以CO2和NH3为原料合成尿素.在尿素合成塔中的主要反应可表示如下:
反应Ⅰ:2NH3(g)+CO2(g)?NH2CO2NH4(s)△H1=-159.47kJ•mol-1
反应Ⅱ:NH2CO2NH4(s)?CO(NH2)2(s)+H2O(g)△H2=+72.49kJ•mol-1
总反应Ⅲ:2NH3(g)+CO2(g)?CO(NH2)2(s)+H2O(g)△H3
回答下列问题:
(1)在相同条件下,反应Ⅰ分别在恒温恒容容器中和绝热恒容容器中进行,二者均达到平衡后,c(CO2)恒温小于c(CO2)绝缘(填“大于”、“小于”或“等于”):△H3=-86.98KJ/mol.
(2)某研究小组为探究反应Ⅰ中影响c(CO2)的因素,在恒温下将0.4molNH3和0.2molCO2放入容积为2L的密闭容器中,t1时达到化学平衡,c(CO2)随时间t变化曲线如图1所示,在0-t1时间内该化学反应速率v(NH3)=$\frac{0.15}{{t}_{1}}$mol/(L•min);若其他条件不变,t1时将容器体积压缩到1L,t2时达到新的平衡.请在图1中画出t1-t2时间内c(CO2)随时间t变化的曲线.
(3)在150℃时,将2molNH3和1molCO2置于aL密闭容器中,发生反应Ⅲ,在t时刻,测得容器中CO2转化率约为73%,然后分别在温度为160℃、170℃、180℃、190℃时,保持其它初始实验条件不变,重复上述实验,经过相同时间测得CO2转化率并绘制变化曲线(见图2).在150℃-170℃之间,CO2转化率呈现逐渐增大的变化趋势,其原因是在150℃-170℃之间反应未达到平衡状态,温度越高反应速率越快,CO2转化率就越向平衡靠拢.180℃时反应Ⅲ的平衡常数K3=12a2(mol/L)2(用含a的式子表示).
(4)侯氏制碱法主要原料为NaCl、CO2和NH3,其主要副产品为NH4Cl,已知常温下,NH3•H2O的电离常数Kb=1.8×10-5,则0.2mol•L-1NH4Cl溶液的pH约为5(取近似整数).

分析 (1)反应Ⅰ分别在恒温恒容容器中和绝热恒容容器中进行,二者均达到平衡后,绝热容器中温度升高平衡逆向进行,二氧化碳浓度增大,结合热化学方程式和盖斯定律计算所需热化学方程式;
(2)0-t1时间内该化学反应速率v(CO2)=$\frac{△c}{△t}$,化学反应速率之比等于化学方程式计量数之比计算氨气的反应速率;图象分析二氧化碳的平衡浓度为0.025mol/L,体积缩小一半浓度增大一倍应为0.05mol/L,随反应进行达到平衡状态,因为生成物为固体,最后达到相同平衡状态,二氧化碳浓度不变,据此画出变化曲线;
(3)图象变换分析可知,开始二氧化碳转化率增大,到170°C最大,随温度升高,二氧化碳转化率减小,反应是放热反应,说明平衡逆向进行的结果,说明170°C前反应为达到平衡状态,180°C二氧化碳转化率为75%,结合化学平衡三行计算列式计算得到平衡浓度,平衡常数K=$\frac{生成物平衡浓度幂次方乘积}{反应物平衡浓缩幂次方乘积}$;
(4)氯化铵溶液中铵根离子水解溶液显酸性,NH4++H2O?NH3•H2O+H+,K=$\frac{c({H}^{+})c(N{H}_{3}•{H}_{2}O)}{c(N{{H}_{4}}^{+})}$=$\frac{c({H}^{+})c(N{H}_{3}•{H}_{2}O)}{c(N{{H}_{4}}^{+})}$×$\frac{c(O{H}^{-})}{c(O{H}^{-})}$=$\frac{Kw}{Kb}$,一水合氨和氢离子浓度近似相同计算得到氢离子浓度,求算溶液PH.

解答 解:(1)反应Ⅰ分别在恒温恒容容器中和绝热恒容容器中进行,二者均达到平衡后,绝热容器中温度升高平衡逆向进行,二氧化碳浓度增大,c(CO2)恒温小于c(CO2)绝缘,结合热化学方程式和盖斯定律计算所需热化学方程式,
反应Ⅰ:2NH3(g)+CO2(g)?NH2CO2NH4(s)△H1=-159.47kJ•mol-1
反应Ⅱ:NH2CO2NH4(s)?CO(NH2)2(s)+H2O(g)△H2=+72.49kJ•mol-1
盖斯定律计算Ⅰ+Ⅱ得到总反应Ⅲ:2NH3(g)+CO2(g)?CO(NH2)2(s)+H2O(g)△H3=-159.47kJ•mol-1+(+72.49kJ•mol-1)=-86.98KJ/mol,
故答案为:小于;-86.98KJ/mol;
(2)0-t1时间内该化学反应速率v(CO2)=$\frac{△c}{△t}$=$\frac{0.1mol/L-0.025mol/L}{{t}_{1}}$=$\frac{0.075}{{t}_{1}}$mol/(L•min),化学反应速率之比等于化学方程式计量数之比计算氨气的反应速率V(NH3)=2v(CO2)=2×$\frac{0.075}{{t}_{1}}$mol/(L•min)=$\frac{0.15}{{t}_{1}}$mol/(L•min),在恒温下将0.4mol NH3和0.2mol CO2放入容积为2L的密闭容器中,达到平衡时,
                2NH3(g)+CO2(g)?NH2CO2NH4(s)
起始量(mol/L)  0.2       0.1           0
变化量(mol/L) 0.15       0.075
平衡量(mol/L) 0.05        0.025
t1时达到平衡过程中c(CO2)随时间t变化趋势曲线如图2所示.若其他条件不变,t1时将容器体积压缩到1L,二氧化碳浓度应增大到0.05mol/L,压强增大,平衡正向进行,由于生成物是固体,所以达到平衡状态,二氧化碳浓度保持不变,据此画出变化曲线为:
,
故答案为:$\frac{0.15}{{t}_{1}}$mol/(L•min);;
(3)在150℃-170℃之间,CO2转化率呈现逐渐增大的变化趋势,到170°C最大,随温度升高,二氧化碳转化率减小,反应是放热反应,升温平衡逆向进行,二氧化碳转化率减小,所以170度C反应达到平衡状态,在150℃-170℃之间,CO2转化率呈现逐渐增大的变化趋势的原因是在150℃-170℃之间反应未达到平衡状态,温度越高反应速率越快,CO2转化率就越向平衡靠拢,在150℃时,将2molNH3和1molCO2置于aL密闭容器中,到180°C时二氧化碳转化率为75%,二氧化碳消耗物质的量为75%×1mol=0.75mol,结合三行计算列式得到
            2NH3(g)+CO2(g)?CO(NH2)2(s)+H2O(g)
起始量(mol) 2        1          0            0
变化量(mol)0.75×2   0.75       0.75         0.75
平衡量(mol)0.5       0.25       0.75         0.75
平衡常数K=$\frac{\frac{0.75}{a}}{(\frac{0.5}{a})^{2}×\frac{0.25}{a}}$=12a2(mol/L)2,
故答案为:12a2(mol/L)2;
(4)氯化铵溶液中铵根离子水解溶液显酸性,NH4++H2O?NH3•H2O+H+,K=$\frac{c({H}^{+})c(N{H}_{3}•{H}_{2}O)}{c(N{{H}_{4}}^{+})}$=$\frac{c({H}^{+})c(N{H}_{3}•{H}_{2}O)}{c(N{{H}_{4}}^{+})}$×$\frac{c(O{H}^{-})}{c(O{H}^{-})}$=$\frac{Kw}{Kb}$=$\frac{1{0}^{-14}}{1.8×1{0}^{-5}}$,水解生成的一水合氨浓度近似等于氢离子浓度,则c2(H+)=K×c(NH4+),c(H+)=$\sqrt{Kc(N{{H}_{4}}^{+})}$=$\sqrt{\frac{1{0}^{-14}}{1.8×1{0}^{-5}}×0.2}$≈10-5mol/L,PH=5,
故答案为:5.

点评 本题考查了热化学方程式书写、化学反应速率和平衡常数的计算、平衡影响因素和图象绘制方法,盐类水解后溶液PH的计算方法等知识点,掌握基础是解题关键,题目难度中等.

练习册系列答案
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(1)与汽油相比,氢气作为燃料的优点是污染小、可再生、来源广、资源丰富、燃烧热值高(至少答出两点).
但是氢气直接燃烧的能量转换率远低于燃料电池,写出碱性氢氧燃料电池的负极反应式:H2+2OH--2e-=2H2O.
(2)氢气可用于制备H2O2.已知:
H2(g)+A(l)═B(l)△H1
O2(g)+B(l)═A(l)+H2O2(l)△H2 
其中A、B为有机物,两反应均为自发反应,则H2(g)+O2(g)═H2O2(l)的△H=<0(填“>”或“=”)
(3)在恒温恒容的密闭容器中,某储氢反应:MHx(s)+yH2(g)?MHx+2y(s)△H<0达到化学平衡.下列有关叙述正确的是ac
a.容器内气体压强保持不变
b.吸收ymol H2只需1mol MHx
c.若降温,该反应的平衡常数增大
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