Question

20．氨气在生产、生活和科研中应用十分广泛．
（1）以CO₂与NH₃为原料合成尿素的主要反应如下：
2NH₃（g）+CO₂（g）═NH₂CO₂NH₄（s）△H=-159kJ•mol^-1
NH₂CO₂NH₄（s）═CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g）△H=+72kJ•mol^-1
H₂O（l）═H₂O（g）△H=+44kJ•mol^-1
则反应2NH₃（g）+CO₂（g）═CO（NH₂）₂（s）+H₂O（l）△H=-131kJ•mol^-1
（2）某温度下，向容积为1000ml的密闭容器中通入4molNH₃和2molCO₂发生反应2NH₃（g）+CO₂（g）?CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g），物质X的浓度变化曲线如图1所示．

①前5s内，v（H₂O）=0.1mol•L^-1•s^-1．
②该条件下的平衡常数K=0.25．
（3）T℃时，将等物质的量的NO和CO充入体积为2L的密闭容器中，保持温度和体积不变，反应过程（0--15min）中NO的物质的量随时间的变化如图2所示．
①平衡时若保持温度不变，再向容器中充入CO、N₂各0.8mol，平衡将向右（填“向左”“向右”或“不”） 移动．
②图3中a、b分别表示在一定温度下，使用质量相同但表面积不同的催化剂时，达到平衡过程中n（NO）的变化曲线，其中表示催化剂表面积较大的曲线是b（填“a”或“b”）．
③15min时，若改变外界反应条件，导致n（NO）发生如图所示的变化，则改变的条件可能是增大CO的物质的量浓度（或增大压强）．
（4）已知H₂O₂是一种弱酸，在强碱溶液中主要以HO${\;}_{2}^{-}$形式存在．现以Al-H₂O₂燃料电池电解尿素[CO（NH₂）₂]的碱性溶液制备氢气（电解池中隔膜仅阻止气体通过，c、d均为惰性电极）．
①电解时，Al消耗2.7g，则产生标准状况下氮气的体积为1.12L．
②c电极的电极反应式为CO（NH₂）₂+8OH^--6e^-═N₂↑+6H₂O+CO₃^2-．

Answer 1

分析 （1）由已知热化学方程式和盖斯定律计算①+②-③得到CO₂与NH₃合成尿素和液态水的热化学反应方程式；
（2）①根据图象可知X为氨气，根据v=$\frac{△c}{△t}$计算前5s内v（NH₃），然后根据计量数与反应速率成正比计算v（H₂O）；
②平衡常数K=$\frac{生成物平衡浓度幂次方乘积}{反应物平衡浓度幂次方乘积}$；
（3）①起始时，NO为4mol，平衡时NO为0.2mol，根据方程式求出平衡时CO、CO₂、N₂的浓度，根据平衡常数表达式计算；根据Qc与k的相对大小分析；
②催化剂表面积较大，反应速率快，达到平衡所用时间短；
③由图象可知，NO的浓度减小，平衡向正方向移动；
（4）电解时，电池反应时中，氮元素化合价由-3价变为0价，H元素化合价由+1价变为0价，所以生成氮气的电极是阳极，生成氢气的电极是阴极，则a是负极、b为正极，H₂O₂-Al燃料电池工作时，Al为负极被氧化，H₂O₂为正极被还原，以此解答该题．

解答 解：（1）①2NH₃（g）+CO₂（g）═NH₂CO₂NH₄（s）△H=-159kJ•mol^-1
②NH₂CO₂NH₄（s）═CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g）△H=+72kJ•mol^-1
③H₂O（l）═H₂O（g）△H=+44kJ•mol^-1
依据热化学方程式和盖斯定律计算①+②-③得到CO₂与NH₃合成尿素和液态水的热化学反应方程式为：2NH₃（g）+CO₂（g）=CO（NH₂）₂（s）+H₂O（l）△H=-131kJ/mol，
故答案为：-131；
（2）①X的初始浓度为4mol/L，则X为NH₃，5min内v（NH₃）=$\frac{4mol/L-3mol/L}{5s}$=0.2mol•L^-1•s^-1，v（H₂O）=$\frac{1}{2}$v（NH₃）=0.2mol•L^-1•s^-1×$\frac{1}{2}$=0.1mol•L^-1•s^-1，
故答案为：0.1mol•L^-1•s^-1；
 ②根据图象可知，平衡时氨气的浓度为2mol/L，
                         2NH₃（g）+CO₂（g）?CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g），
反应前（mol/L）    4              2                                            0
转化（mol/L）       2              1                                            1
平衡时（mol/L）    2             1                                             1
该稳定性该反应的平衡常数K=$\frac{1}{1×{2}^{2}}$=0.25，
故答案为：0.25；
（3）①起始时，NO为0.4mol，平衡时NO为0.2mol，
                    2NO（g）+2CO（g）$\frac{\underline{\;催化剂\;}}{\;}$2CO₂（g）+N₂
起始物质的量：0.4mol  0.4mol                       0             0
转化的物质量：0.2mol  0.2mol                  0.2mol       0.1mol
平衡物质的量：0.2mol  0.2mol                  0.2mol       0.1mol
则平衡时的浓度：c（NO）=0.1mol/L，c（CO）=0.1mol/L，c（CO₂）=0.1mol/L，c（N₂）=0.05mol/L，
该稳定性该反应的平衡常数K=$\frac{0．{1}^{2}×0.05}{0．{1}^{2}×0．{1}^{2}}$=5；
平衡时若保持温度不变，再向容器中充入CO、N₂各0.8mol，则c（CO）=0.5mol/L，c（N₂）=0.45mol/L，
此时的浓度商Qc=$\frac{0．{1}^{2}×0.45}{0．{1}^{2}×0．{5}^{2}}$=1.8＜k，则平衡将向右移动，
故答案为：向右；
②催化剂表面积较大，反应速率快，达到平衡所用时间短，由图可知，b曲线代表的条件下反应速率快，所以b的催化剂的表面积大；
故答案为：b；
③由图象可知，NO的浓度减小，平衡向正方向移动，所以改变的条件为增加CO的物质的量浓度或增大压强；
故答案为：增大CO的物质的量浓度（或增大压强）；
（4）①c极生成氮气，说明尿素失去电子被氧化，电极反应式为：CO（NH₂）₂+8OH^--6e^-═N₂↑+6H₂O+CO₃^2-，
故答案为：CO（NH₂）₂+8OH^--6e^-═N₂↑+6H₂O+CO₃^2-；
②每消耗2.7g Al，则转移0.3mol电子，电解池阳极中氮元素化合价由-3价变为0价，在可生成0.05mol氮气，理论上产生气体在标况下体积为：22.4L/mol×0.05mol=1.12L，
故答案为：1.12．

点评 本题考查较为综合，涉及化学平衡的计算、反应热与焓变、化学反应速率的计算及原电池与电解池的应用等知识，题目难度中等，明确化学平衡及其影响为解答关键，注意掌握三段式在化学平衡计算中的应用，试题培养了学生的分析、理解能力及化学计算能力．