Question

1．氨气是一种重要的化工产品，在生产和科研中应用广泛，氨气是工业合成氨的原料之一，工业上制取氨气有下列两种途径：
途径一、用水和天然气作原料一步反应制得
途径二，用煤和水作原料经多步反应制得．
请回答下列问题：
（1）途径一反应的还原产物是氢气
（2）途径二中的一步反应为：CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H＜0
①上述反应达到平衡后，为提高CO的转化率，下列措施中正确的是BC（填写序号）
A．增大压强B．降低温度C．增大H₂O（g）的浓度D．使用催化剂
②已知1000K时，上述反应的平衡常数K=0.627，若要使CO的转化率超过90%，则起始无中c（H₂O）：c（CO）不低于13.8．
③在容积为2L的容器中发生上述反应，测得c（H）₂与反应时间t的变化曲线Ⅰ如图1所示，若在t₀时刻将容器的体积扩大至4L，请在答题卡图中绘出c（H₂）与反应时间变化的曲线Ⅱ
（3）目前常用氨气处理硝酸生产的工业尾气，在400℃左右且有催化剂存在的情况下，氨气能把NO（g）还原成无色无毒气体，直接排入空气中，已知氢气的燃烧热为286kJ•mol^-1
N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H=-92.4kJ•mol^-1
N₂（g）+O₂（g）?2NO（g）△H=+180kJ•mol^-1
试写出氨气与NO（g）反应生成五毒气体和液态水的热化学方程式4NH₃（g）+6NO（g）═5N₂（g）+6H₂O（l）△H=-2071.2kJ•mol^-1
（4）工业上用氨和二氧化碳反应合成尿素，其反应为：2NH₃（g）+CO₂（g）?CO（NH₂）₂（l）+H₂O（g）生成过程中，原料原料气常混有水蒸气，CO₂的转化率与氨碳比$\frac{n（N{H}_{3}）}{n（C{O}_{2}）}$、水碳比$\frac{n（{H}_{2}O）}{n（C{O}_{2}）}$的变化关系如图所示
①曲线Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ对应的水碳比最小的是Ⅰ．
②若B点氨的转化率为60%，则x₁=2．
（5）某同学将NH3和CO2按物质的量之比2：1通入水中，充分反应所得溶液中NH${\;}_{4}^{+}$、CO${\;}_{3}^{2-}$、HCO${\;}_{3}^{-}$   三种离子浓度由大到小的顺序是c（NH₄⁺）＞c（CO₃^2-）＞c（HCO₃^-）（已知：氨水、碳酸的电离平衡常数如表）

弱电解质	化学式	电离常数（K）
氨水	NH3•H2O	1.79×10-5
碳酸	H2CO3	K1=4.30×10-7
		K2=5.61×10-11

Answer 1

分析 （1）途径一是用水和天然气作原料一步反应制得氢气，根据化合价判断还原产物；
（2）①提高CO的转化率可以使平衡正向进行，根据化学平衡移动原理来回答判断；
②根据平衡常数用三段式法计算；
③体积增大2倍，浓度缩小2倍，压强变小，但压强对CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）的平衡无影响，所以达平衡时，氢气的浓度是原平衡的一半，据此画出c（H₂）与反应时间变化的曲线Ⅱ；
（3）氢气的燃烧热为286KJ/mol指的是1mol氢气完全燃烧生成液态水时放热286KJ，燃烧热的热化学方程式必须保持可燃物为1mol，故热化学方程式为：H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（l）△H=-286KJ/mol，再根据盖斯定律计算得出；
（4）①根据图2可知，氨碳比一定时，水碳比越大，说明原料气中含二氧化碳越少，二氧化碳的转化率越低，所以二氧化碳转化率最低的即为水碳比最大的；②B点二氧化碳的转化率为60%，氨气的转化率是60%，设出NH₃、CO₂的起始物质的量，然后列式计算；
（5）将NH₃和CO₂按物质的量之比2：1通入水中，生成碳酸铵溶液，根据离子的水解程度比较溶液中c（NH₄⁺）、c（CO₃^2-）、c（HCO₃^-）．

解答 解：（1）途径一是用水和天然气作原料一步反应制得氢气，氢的化合价降低，氢气作还原产物，故答案为：氢气；
（2）①提高CO的转化率可以让平衡正向进行即可：
A．增加压强，该平衡不会发生移动，故A错误；
B．降低温度，化学平衡向着放热方向即正向进行，故B正确；
C．增大水蒸气的浓度，化学平衡向着正方向进行，故C正确；
D．催化剂不会引起化学平衡的移动，故D错误；
故答案为：BC；
②设CO的起始浓度为xmol，H₂O的起始浓度为ymol，则转化的CO的最小值为0.9x，
        CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）
起始   x              y                0              0
变化  0.9x        0.9x            0.9x          0.9x
平衡  0.1x      y-0.9x          0.9x         0.9x
根据平衡常数列式：$\frac{（0.9x）^{2}}{0.1x×（y-0.9x）}$=0.627，
解得：$\frac{y}{x}$=13.8，故此只要此值大于13.8，转化率就会超过90%，
故答案为：13.8；
③体积增大2倍，浓度缩小2倍，压强变小，但压强对CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）的平衡无影响，所以达平衡时，氢气的浓度是原平衡的一半，则c（H₂）与反应时间变化的曲线Ⅱ：；故答案为：；
（3）氢气的燃烧热为286kJ•mol^-1，则氢气的燃烧的热化学方程式为：
H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（l）△H=-286kJ•mol^-1①
N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H=-92.4kJ•mol^-1②
N₂（g）+O₂（g）?2NO（g）△H=+180kJ•mol^-1③
根据盖斯定律①×6-②×2-③×3得4NH₃（g）+6NO（g）═5N₂（g）+6H₂O（l）△H=-2071.2kJ•mol^-1，
故答案为：4NH₃（g）+6NO（g）═5N₂（g）+6H₂O（l）△H=-2071.2kJ•mol^-1；
（4）①根据图2可知，氨碳比一定时，水碳比越大，说明原料气中含二氧化碳越少，二氧化碳的转化率越低，所以二氧化碳转化率最低的即为水碳比最大的，则曲线Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ对应的水碳比最小的是Ⅰ曲线，故答案为：Ⅰ；
②B点二氧化碳的转化率为60%，氨气的转化率是60%，
设NH₃、CO₂的起始物质的量分别为x、y，
则：x×60%×$\frac{1}{2}$=y×60%，
解得：$\frac{x}{y}$=x₁=2，
故答案为：2；
（5）将NH₃和CO₂按物质的量之比2：1通入水中，生成碳酸铵溶液，铵根和碳酸根都水解，铵根的水解平衡常数K_h=$\frac{{K}_{W}}{{K}_{a}}$=$\frac{1{0}^{-14}}{1.79×1{0}^{-5}}$，碳酸根的水解平衡常数K_h=$\frac{{K}_{W}}{{K}_{a2}}$=$\frac{1{0}^{-14}}{5.61{×10}^{-11}}$，则碳酸根的水解程度大，铵根的水解程度小，溶液中的铵根浓度大于碳酸根，水解是弱水解，碳酸根的浓度大于碳酸氢根，则离子浓度大小关系为：c（NH₄⁺）＞c（CO₃^2-）＞c（HCO₃^-），故答案为：c（NH₄⁺）＞c（CO₃^2-）＞c（HCO₃^-）．

点评 本题综合考查工业合成氨知识，涉及化学平衡、能量变化、盐类的水解等问题，侧重考查化学平衡移动在化学工艺中的应用以及化学平衡计算，题目难度较大．