Question

7．在一定温度下，工业上合成尿素（H₂NCONH₂）的反应如下：2NH₃（I）+CO₂（g）?H₂O（I）+H₂NCONH₂（I）△H=-103.7kJ•mol^-1
试回答下列问题：
（1）写出一种有利于提高尿素的产率的措施是加压或降温．
（2）合成尿素的反应在进行时分为如下两步：
第一步：2NH₃（I）+CO₂（g）?H₂NCOONH₄（I）（氨基甲酸铵）△H₁
第二步：H₂NCOONH₄（I）?H₂O（I）+H₂NCONH₂（I）△H₂
某实验小组模拟工业上合成尿素的条件，在一体积为0.2L的密闭容器中投入4mol氨和1mol二氧化碳，实验测得反应中各组分随时间的变化如图甲所示：

①●●代表的物质为CO₂（填化学式）
②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2步反应决定，反应进行到10min时到达平衡．反应进行到10min时测得●●所代表的物质的量如图所示，则该物质表示的表示化学反应的速率为0.41mol•L^-1•min．L^-1
③第二步反应的平衡常数K2随温度的变化如乙图所示，则△H₁ ＜0 （填“＞”“＜”或“=”）．
④第一步反应在较低  （填“较高”或“较低”）温度下有利该反应自发进行．
（3）已知：
N₂（g）+O₂（g）=2NO（g）△H=+180.6kJ•mol^-1
N₂（g）+3H₂（g）=2NH₃（g）△H=-92.4kJ•mol^-1
2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（g）△H=-483.6kJ•mol^-1
则4NO（g）+4NH₃（g）+O₂（g）═4N₂（g）+6H₂O（g）△H=-1627.2 kJ•mol^-1．

Answer 1

分析 （1）2NH₃（l）+CO₂（g）?H₂O（l）+H₂NCONH₂（l）△H=-103.7kJ•mol^-1 ，反应是放热反应，反应前后气体体积减小；有利于提高尿素的生成速率需要依据影响化学反应速率的因素进行分析；
（2）①根据反应方程式，各反应物、生成物的特点可知●●代表的物质为二氧化碳；
②已知总反应的快慢由慢的一步决定，结合图象变化趋势，图象表达反应的判断，反应快慢可以依据第一步和第二步反应的曲线斜率比较大小；在一体积为0.2L的密闭容器中投入4mol氨和1mol二氧化碳，分析图象计算10分钟时二氧化碳的消耗物质的量，结合化学反应速率概念进行计算；
③由图Ⅱ可知，随着温度的升高，平衡常数增大，平衡向正反应方向移动；
④根据第一步的方程式可知，反应物中有气体，生成物中没气体，所以△S＜0，根据△G=△H-T△S判断；
（3）根据已知方程式构建目标方程式，根据盖斯定律计算△H．

解答 解：（1）2NH₃（l）+CO₂（g）?H₂O（l）+H₂NCONH₂（l）△H=-103.7kJ•mol^-1 ，反应有气体参加，反应前后气体体积减小，采用增大压强，反应正向进行，尿素的产率增大，反应是放热反应，降温反应正向进行，尿素的产率增大，
故答案为：加压或降温；
（2）①合成尿素的反应，第一步：2NH₃（I）+CO₂（g）?H₂NCOONH₄，
第二步：H₂NCOONH₄（I）?H₂O（I）+H₂NCONH₂，
投入4mol氨，且氨气在反应中始终减少，为，H₂NCOONH₄先增加，后减少，为，物质的量始终在增加，为尿素，
故答案为：CO₂；
②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步反应速率慢，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，投入1mol二氧化碳，减少趋势不大的●●代表的为二氧化碳，依据图象分析，二氧化碳再进行到10min时物质的量为0.18mol，所以此时的反应速率为V（CO₂）=$\frac{\frac{n}{v}}{△t}$=$\frac{\frac{1mol-0.18mol}{0.2L}}{10min}$=0.41mol/（L•min），
故答案为：2； 0.41；
③由图Ⅱ可知，随着温度的升高，平衡常数增大，平衡向正反应方向移动，则正反应为吸热反应，△H₂＞0，2NH₃（I）+CO₂（g）?H₂O（I）+H₂NCONH₂（I）△H=-103.7kJ•mol^-1，则△H₁，＜0，
故答案为：＜；
④根据第一步的方程式可知，反应物中有气体，生成物中没气体，所以△S＜0，△H₁，＜0，根据△G=△H-T△S可知，温度较低时，△G可能小于0，即反应可以自发，
故答案为：较低；
（3）已知：①N₂（g）+O₂（g）=2NO（g）△H=+180.6kJ•mol^-1
②N₂（g）+3H₂（g）=2NH₃（g）△H=-92.4kJ•mol^-1
③2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（g）△H=-483.6kJ•mol^-1
则（③×3-①×2-②×2）得：4NO（g）+4NH₃（g）+O₂（g）═4N₂（g）+6H₂O（g）根据盖斯定律，反应热的大小与反应的途径无关，只与反应的始态和终态有关，则△H=（-483.6kJ•mol^-1）×3-（+180.6kJ•mol^-1）×2-（-92.4kJ•mol^-1）×2=-1627.2 kJ•mol^-1，
故答案为：-1627.2 kJ•mol^-1．

点评 本题考查了化学平衡、反应热的相关计算、化学平衡的移动原理等知识，侧重于考查学生对基础知识的综合应用能力，分析题干、图象分析反应的进行程度是解题关键，题目难度中等．