题目内容

【题目】氨是重要的基础化工原料,可以制备尿素[CO(NH2)2]、N2H4等多种含氮的化工产品。

(1)以NH3与CO2为原料可以合成尿素[CO(NH2)2],涉及的化学反应如下:

反应I:2NH3(g)+CO2(g)NH2CO2NH4(s) △H1= -159.5kJ·mol-1

反应II:NH2CO2NH4(s)CO(NH2)2(s)+H2O(g) △H2=+116.5kJmol-1

反应III:H2O(l)=H2O(g) △H3=+44.0kJmol-1

则反应:2NH3(g)+CO2(g)CO(NH2)2(s)+H2O(l) △H=______kJmol-1

(2)将氨气与二氧化碳在有催化剂的反应器中反应2NH3(g)+CO2(g)CO(NH2)2 (s)+H2O(g),体系中尿素的产率和催化剂的活性与温度的关系如图1所示:

①a点_______(填是或不是)处于平衡状态,Tl之后尿素产率下降的原因是________。

②实际生产中,原料气带有水蒸气,图2表示CO2的转化率与氨碳比、水碳比的变化关系。曲线I、II、III对应的水碳比最大的是_______,测得b点氨的转化率为30%,则x=___________。

③已知该反应的v(正)=k(正)c2(NH3)c(CO2),v(逆)=k(逆)c(H2O),k(正)和k(逆)为速率常数,则平衡常数K与k(正)、k(逆)的关系式是___________。

(3)N2H4可作火箭推进剂。已知25℃时N2H4水溶液呈弱碱性:N2H4+H2ON2H5++OH- K1=1×10-a;N2H5++H2ON2H62++OH- K2=1×10一b。

①25 ℃时,向N2H4水溶液中加入H2SO4,欲使c(N2H5+)>c(N2H4),同时c(N2H5+)>c(N2H62+),应控制溶液pH范围__________(用含a、b式子表示)。

②水合肼(N2H4H2O)的性质类似一水合氨,与硫酸反应可以生成酸式盐,该盐的化学式为_____。

【答案】-87.0 不是 升高温度反应逆向移动,催化剂活性降低 I 4 K= 14-b<pH<14-a N2H5HSO4

【解析】

(1)反应I:2NH3(g)+CO2(g)NH2CO2NH4(s) △H1= -159.5kJ·mol-1 ①

反应II:NH2CO2NH4(s)CO(NH2)2(s)+H2O(g) △H2=+116.5kJmol-1 ②

反应III:H2O(l)=H2O(g) △H3=+44.0kJmol-1 ③

利用盖斯定律,将①+②-③,即得反应:2NH3(g)+CO2(g)CO(NH2)2(s)+H2O(l)的△H。

(2)①在T1之后,升高温度,尿素的产率降低,说明平衡逆向移动,正反应为放热反应。也就是温度越高,达平衡时氨的转化率越低,若a点达平衡,则氨的产率比T1点大。

②对于反应体系,在氨碳比相同的情况下,增大水蒸气的量,平衡逆向移动,CO2的转化率降低。对于b点,氨的转化率为30%,CO2的转化率为60%,由变化量之比等于化学计量数之比,可求出x。

③已知该反应的v(正)=k(正)c2(NH3)c(CO2),v(逆)=k(逆)c(H2O),k(正)和k(逆)为速率常数,则平衡时,v(正)= v(逆),由此可求出平衡常数K与k(正)、k(逆)的关系式。

(3) K1==1×10-a,由c(N2H5+)>c(N2H4),可求出c(OH-)<1×10-a;K2==1×10一b,由c(N2H5+)>c(N2H62+),可求出c(OH-)>1×10一b,由此可求出应控制溶液pH范围。

②水合肼(N2H4H2O)的性质类似一水合氨,与硫酸反应可以生成硫酸氢盐,由此可得出该盐的化学式。

(1)反应I:2NH3(g)+CO2(g)NH2CO2NH4(s) △H1= -159.5kJ·mol-1 ①

反应II:NH2CO2NH4(s)CO(NH2)2(s)+H2O(g) △H2=+116.5kJmol-1 ②

反应III:H2O(l)=H2O(g) △H3=+44.0kJmol-1 ③

利用盖斯定律,将①+②-③,即得反应:2NH3(g)+CO2(g)CO(NH2)2(s)+H2O(l)的△H= -87.0 kJmol-1。答案为:-87.0;

(2)①在T1之后,升高温度,尿素的产率降低,说明平衡逆向移动,正反应为放热反应。也就是温度越高,达平衡时氨的转化率越低,若a点达平衡,则氨的产率比T1点大。所以a点不是处于平衡状态,Tl之后尿素产率下降的原因是升高温度反应逆向移动,催化剂活性降低。答案为:不是;升高温度反应逆向移动,催化剂活性降低;

②对于反应体系,在氨碳比相同的情况下,增大水蒸气的量,平衡逆向移动,CO2的转化率降低,从而得出曲线I、II、III对应的水碳比最大的是I。对于b点,氨的转化率为30%,CO2的转化率为60%,由变化量之比等于化学计量数之比可得,,可求出x==4。答案为:I;4;

③已知该反应的v(正)=k(正)c2(NH3)c(CO2),v(逆)=k(逆)c(H2O),k(正)和k(逆)为速率常数,则平衡时,v(正)= v(逆),k(正)c2(NH3)c(CO2)=k(逆)c(H2O),=K。答案为:K=;

(3) K1==1×10-a,由c(N2H5+)>c(N2H4),可求出c(OH-)<1×10-a,则pH<14-a;K2==1×10一b,由c(N2H5+)>c(N2H62+),可求出c(OH-)>1×10一b,pH>14-b,由此可求出应控制溶液pH范围为14-b<pH<14-a。答案为:14-b<pH<14-a;

②水合肼(N2H4H2O)的性质类似一水合氨,与硫酸反应可以生成硫酸氢盐,由此可得出该盐的化学式为N2H5HSO4。答案为:N2H5HSO4。

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