Question

研究化肥的合成、废水的处理等有现实的重要意义。

Ⅰ．尿素是一种非常重要的高氮化肥，工业上合成尿素的反应如下：

2NH3(l)＋CO2(g)H2O(l)＋H2NCONH2 (l)  △H＝－103.7 kJ·mol－1

试回答下列问题：

（1）下列措施中有利于提高尿素的产率的是___________。

A．采用高温    B．采用高压    C．寻找更高效的催化剂

（2）合成尿素的反应在进行时分为如下两步：

第一步：2NH3(l)＋CO2(g) H2NCOONH4(氨基甲酸铵) (l)   △H1

第二步：H2NCOONH4(l)H2O(l)＋H2NCONH2(l)           △H2

某实验小组模拟工业上合成尿素的条件，在一体积为0.5 L密闭容器中投入4 mol氨和1mol二氧化碳，实验测得反应中各组分随时间的变化如下图Ⅰ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_____步反应决定。

② 反应进行到10 min时测得CO2的物质的量如图Ⅰ所示，则用CO2表示的第一步反应的速率v(CO2)＝____________________

③ 第二步反应的平衡常数K随温度的变化如上右图Ⅱ所示，则△H2    0

（填“＞”“＜”或“＝”）

Ⅱ．以硫铁矿为原料生产硫酸所得的酸性废水中砷元素含量极高，为控制砷的排放，采用化学沉降法处理含砷废水，相关数据如下表。

难溶物	Ksp
Ca3(AsO4)2	6.8×10－19
AlAsO4	1.6×10－16
FeAsO4	5.7×10－21

污染物	H2SO4	As
浓度	28.42 g/L	1.6 g·L－1
排放标准	pH 6～9	0.5 mg·L－1

表1．几种砷酸盐的Ksp            表2．工厂污染物排放浓度及允许排放标准

    回答以下问题：

（3）若混合溶液中Al3＋、Fe3＋的浓度均为1.0×10－4mol·L－1，

c(AsO43－)最大是         mol·L－1。

（4）工厂排放出的酸性废水中的三价砷（H3AsO3弱酸）不易沉降，可投入MnO2先将其氧化成五价砷（H3AsO4弱酸），写出该反应的离子方程式                                。

（5）在处理含砷废水时采用分段式，先向废水中投入适量生石灰调节pH到2，再投入适量生石灰将pH调节到8左右使五价砷以Ca3(AsO4)2形式沉降。

① 将pH调节到2时废水中有大量沉淀产生，沉淀主要成分的化学式为           ；

②在pH调节到8左右才开始出现大量Ca3(AsO4)2沉淀的原因为                         

                                                                              

Answer 1

【知识点】化学平衡和化学反应速率的影响因素、沉淀溶解平衡

【答案解析】Ⅰ．（1）B  （2）①2   ②0.148 mol/（L•min）  ③ ＞ 

 Ⅱ．（ 3 ）5.7×10-17（4）2H++MnO2+H3AsO3=H3AsO4+Mn2++H2O  （5） ① CaSO4  ②H3AsO4是弱酸，当溶液中pH调节到8左右时AsO43-浓度增大，Ca3（AsO4）2开始沉淀

 解析：Ⅰ．（1）A、采用高温，反应是放热反应，平衡向着逆向进行，尿素的产率降低，故A错误；B、反应由气体参加，反应前后气体体积减小，采用高压，增大压强，反应正向进行，尿素的产率增大，故B正确；C、寻找更高效的催化剂，催化剂可以加快反应速率，但不改变平衡，尿素的产率不变，故C错误；

（2）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一步反应，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部反应速率慢，所以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决定；

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）=（1mol-0.26mol)/0.5L=1.48mol/L；则用CO2表示的第一步反应的速率v（CO2）=1.48mol/L÷10min=0.148 mol/（L•min），
③第二步反应的平衡常数K随温度的升高增大，说明反应是吸热反应，△H2＞0，
Ⅱ．（3）若混合溶液中Al3+、Fe3+的浓度均为1.0×10-4mol•L-1，依据Ksp大小可以得到，Ksp（FeAsO4 ）小，反应过程中Fe3+先析出沉淀；依据Ksp（FeAsO4 ）=c（Fe3+）c（AsO43-）=5.7×10-21；Fe3+的浓度均为1.0×10-4mol•L-1，计算得到 c（AsO43-）=5.7×10-17mol/L，

（4）三价砷（H3AsO3弱酸）不易沉降，可投入MnO2先将其氧化成五价砷（H3AsO4弱酸）同时生成Mn2+和H2O，则该反应的离子方程式为：2H++MnO2+H3AsO3=H3AsO4+Mn2++H2O，

（5）①硫酸钙难溶于酸，所以酸性条件下能析出，因此pH调节到2时废水中有大量沉淀产生，沉淀主要成分的化学式为CaSO4；
②H3AsO4是弱酸电离出来的AsO43-较少，所以酸性条件下不易形成Ca3（AsO4）2沉淀，当溶液中pH调节到8左右时AsO43-浓度增大，Ca3（AsO4）2开始沉淀，

【思路点拨】本题考查了化学平衡的影响因素分析、化学反应速率计算、溶液中浓度的换算、沉淀溶解平衡的溶度积常数计算，离子方程式的书写，沉淀的形成等知识，题目难度中等，注意明确影响化学平衡的因素及化学反应速率的计算方法，试题能够提高学生的分析、理解能力及计算能力。