Question

16．尿素[CO（NH₂）₂]是首個由無機物人工合成的有機物．

（1）工業(yè)上尿素由CO₂和NH₃在一定條件下合成，其反應方程式為2NH₃+CO₂$\frac{\underline{\;一定條件\;}}{\;}$CO（NH₂）₂+H₂O．
（2）當氨碳比$\frac{n（N{H}_{3}）}{n（C{O}_{2}）}$=4時，CO₂的轉化率隨時間的變化關系如圖1所示．
①A點的逆反應速率v_逆（CO₂）小于B點的正反應速率v_正（CO₂）（填“大于”、“小于”或“等于”）．
②NH₃的平衡轉化率為30%．
③一定溫度下，在一個容積不變的密閉容器中，發(fā)生上述反應，下列能判斷該反應達到化學平衡狀態(tài)的是ad  （填字母，下同）．
a．容器中的壓強不變         
b．3mol N-H鍵斷裂的同時斷裂2molH-O鍵
c．c（CO₂）=c（H₂O）             
d．c（CO₂）的濃度保持不變
（3）人工腎臟可采用間接電化學方法除去代謝產物中的尿素，原理如下圖所示．
①電源的負極為B（填“A”或“B”）．
②陽極室中發(fā)生的反應依次為6Cl^--6e^-═3Cl₂↑、CO（NH₂）₂+3Cl₂+H₂O═N₂+CO₂+6HCl．
③電解結束后，陰極室溶液的pH與電解前相比將不變；若兩極共收集到氣體11.2L（標準狀況），則除去的尿素為6g（忽略氣體的溶解）．

Answer 1

分析 （1）CO₂和NH₃合成CO（NH₂）₂，根據(jù)元素守恒可知，同時還有H₂O生成，配平書寫方程式；
（2）①由CO₂的轉化率隨時間變化圖，可知在A點時反應還未達到平衡狀態(tài)，反應仍將繼續(xù)正向進行，而B點處于平衡狀態(tài)；
②設CO₂的初始物質的量為a，則NH₃的初始物質的量為4a，由圖可知，CO₂的轉化率為60%，故轉化的二氧化碳為0.6a，根據(jù)方程式計算轉化的NH₃的物質的量，再根據(jù)轉化率定義計算；
③a．發(fā)生反應：2NH₃（g）+CO₂（g）CO（NH₂）₂ （s）+H₂O（g），隨反應進行壓強減小，容器中的壓強不變說明到達平衡狀態(tài)；
b．斷裂2molH-O鍵的同時生成6molN-H時，反應到達平衡；
c．平衡時二氧化碳、水的濃度關系與二氧化碳轉化率有關；
d．可逆反應到達平衡時，反應混合物各組分濃度不變；
（3）①由圖可知，左室電極產物為Cl₂，發(fā)生氧化反應，故A為電源的正極，右室電解產物H₂，發(fā)生還原反應；
②由圖可知，陽極室首先是氯離子放電生成氯氣，氯氣再氧化尿素生成氮氣、二氧化碳，同時會生成HCl；
③陰極反應為：6H₂O+6e^-═6OH^-+3H₂↑（或6H⁺+6e^-═3H₂↑），
陽極反應為：6Cl^--6e^-═3Cl₂↑，CO（NH₂）₂+3Cl₂+H₂O═N₂+CO₂+6HCl，
根據(jù)上述反應式可以看出在陰、陽極上產生的OH^-、H⁺的數(shù)目相等，陽極室中反應產生的H⁺通過質子交換膜進入陰極室與OH^-恰好反應生成水，所以陰極室中電解前后溶液的pH不變；
由上述反應式可以看出，轉移6 mol e^-時，陰極產生3 mol H₂，陽極產生1 mol N₂和1 mol CO₂，根據(jù)n=$\frac{V}{{V}_{m}}$計算兩極產生的氣體的物質的量，利用氣體中各組分的比例關系計算n（N₂）、n（CO₂），再根據(jù)方程式計算尿素的物質的量，根據(jù)m=nM計算尿素的質量．

解答 解：（1）CO₂和NH₃合成CO（NH₂）₂，根據(jù)元素守恒可知，同時還有H₂O生成，化學方程式為：
2NH₃+CO₂$\frac{\underline{\;一定條件\;}}{\;}$CO（NH₂）₂+H₂O，
故答案為：2NH₃+CO₂$\frac{\underline{\;一定條件\;}}{\;}$CO（NH₂）₂+H₂O；
（2）①由CO₂的轉化率隨時間變化圖，可知在A點時反應還未達到平衡狀態(tài)，反應仍將繼續(xù)正向進行，逆反應速率繼續(xù)增大到B點處于平衡狀態(tài)，故v_逆（CO₂）小于B點平衡時的化學反應速率，
故答案為：小于；
②設CO₂的初始物質的量為a，則NH₃的初始物質的量為4a，由圖可知，CO₂的轉化率為60%，故轉化的二氧化碳為a×60%=0.6a，根據(jù)方程式可知，轉化的NH₃的物質的量為0.6a×2=1.2a，故平衡時氨氣的轉化率定為$\frac{1.2a}{4a}$×100%=30%，
故答案為：30%；
③a．發(fā)生反應：2NH₃（g）+CO₂（g）CO（NH₂）₂ （s）+H₂O（g），正反應為氣體物質的量減小的反應，隨反應進行壓強減小，容器中的壓強不變說明到達平衡狀態(tài)，故a正確；
b．3mol N-H鍵斷裂的同時斷裂2molH-O鍵，而斷裂2molH-O鍵的可以生成6molN-H，氨氣的生成速率大于消耗速率，反應向逆反應進行，故b錯誤；
c．平衡時二氧化碳、水的濃度與二氧化碳轉化率有關，平衡時不一定相等，故c錯誤；
d．c（CO₂）的濃度保持不變，說明到達平衡，故d正確，
故選：ad；
（3）①由圖可知，左室電極產物為Cl₂，發(fā)生氧化反應，故A為電源的正極，右室電解產物H₂，發(fā)生還原反應，故B為電源的負極，故答案為：B；
②由圖可知，陽極室首先是氯離子放電生成氯氣，氯氣再氧化尿素生成氮氣、二氧化碳，同時會生成HCl，陽極室中發(fā)生的反應依次為：6Cl^--6e^-═3Cl₂↑，CO（NH₂）₂+3Cl₂+H₂O═N₂+CO₂+6HCl，
故答案為：6Cl^--6e^-═3Cl₂↑，CO（NH₂）₂+3Cl₂+H₂O═N₂+CO₂+6HCl；
③陰極反應為6H₂O+6e^-═6OH^-+3H₂↑（或6H⁺+6e^-═3H₂↑）
陽極反應為6Cl^--6e^-═3Cl₂↑，CO（NH₂）₂+3Cl₂+H₂O═N₂+CO₂+6HCl
根據(jù)上述反應式可以看出在陰、陽極上產生的OH^-、H⁺的數(shù)目相等，陽極室中反應產生的H⁺通過質子交換膜進入陰極室與OH^-恰好反應生成水，所以陰極室中電解前后溶液的pH不變；
由上述反應式可以看出，轉移6 mol e^-時，陰極產生3 mol H₂，陽極產生1 mol N₂和1 mol CO₂，故電解收集到的11.2 L氣體，物質的量為$\frac{11.2L}{22.4L/mol}$=0.5mol，即n（N₂）=n（CO₂）=0.5mol×$\frac{1}{5}$=0.1 mol，
根據(jù)方程式CO（NH₂）₂+3Cl₂+H₂O═N₂+CO₂+6HCl，可知生成0.1 mol N₂所消耗的CO（NH₂）₂的物質的量也為0.1 mol，其質量為：m[CO（NH₂）₂]=0.1 mol×60 g•mol^-1=6 g，
故答案為：不變；6．

點評 本題考查化學平衡的計算、化學平衡狀態(tài)判斷、電解池原理與有關計算，（3）中注意觀察電極產物判斷發(fā)生的反應，注意根據(jù)方程式判斷左室中PH值的變化．