Question

16．氨氣在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有著重要作用，請(qǐng)回答下列有關(guān)問題．
（1）用氨氣制取尿素[CO（NH₂）₂]的反應(yīng)方程式為：2NH₃（g）+CO₂（g）?CO（NH₂）₂（1）+H₂O（g）△H＜0．某溫度下，向容積為100L的密閉容器中通入4mol NH₃和2molCO₂，該反應(yīng)進(jìn)行到40s時(shí)達(dá)到平衡，此時(shí)CO₂的轉(zhuǎn)化率為50%．圖1中的曲線表示該反應(yīng)在前25s 內(nèi)NH₃濃度隨時(shí)間變化的圖象．

①25-40s內(nèi)NH₃的平均化學(xué)反應(yīng)速率為3.3×10^-4mol/（L•s）（保留兩位有效數(shù)字）．
②該溫度下此反應(yīng)的平衡常數(shù)為2500L²/mol²．
③請(qǐng)?jiān)趫D2中畫出反應(yīng)從25s延續(xù)至60s時(shí)c（NH₃）隨時(shí)間變化的圖象，并在其他條件不變的情況下畫出使用催化劑時(shí)c（NH₃）隨時(shí)間的變化圖象．
（2）氨碳比[n（NH₃）/n（CO₂）]對(duì)合成尿素有影響，恒溫恒容條件下將總物質(zhì)的量為3mol的NH₃和CO₂的混合氣體按不同氨碳比進(jìn)行反應(yīng)，結(jié)果如圖1所示．a(chǎn)、b線分別表示CO₂、NH₃的轉(zhuǎn)化率變化，c線表示平衡體系中尿素的質(zhì)童分?jǐn)?shù)變化．[n（NH₃）/n（CO₂）]=2時(shí)，尿素產(chǎn)量最大．
（3）工業(yè)生產(chǎn)中為提高尿素的產(chǎn)率可采取的措施有增大反應(yīng)物濃度、增大壓強(qiáng)、降低溫度
（4）近期科學(xué)家發(fā)現(xiàn)微生物可將生產(chǎn)廢水中的尿素直接轉(zhuǎn)化為對(duì)環(huán)境友好的兩種物質(zhì)，其工作原理如圖3所示．回答下列問題：
①N極為正極（填“正”或“負(fù)”），M電極反應(yīng)式為：$CO（N{H}_{2}）_{2}+{H}_{2}O-6{e}^{-}=C{O}_{2}↑+{N}_{2}+6{H}^{+}$．
②N極消耗標(biāo)準(zhǔn)狀況下33.6L氣體時(shí)，M極理論上處理的尿素的質(zhì)量為60g．

Answer 1

分析 （1）某溫度下，向容積為100L的密閉容器中通入4mol NH₃和2molCO₂，該反應(yīng)進(jìn)行到40s時(shí)達(dá)到平衡，此時(shí)CO₂的轉(zhuǎn)化率為50%，結(jié)合三行計(jì)算列式，
                            2NH₃（g）+CO₂（g）?CO（NH₂）₂（1）+H₂O（g）
起始量（mol）      4                 2                     0                           0
變化量（mol）      2                 1                      1                         1
平衡量（mol）      2                1                        1                         1
①25-40s內(nèi)，根據(jù)圖1，25s時(shí)，氨氣濃度為25×10^-3mol/L，40s達(dá)到平衡，根據(jù)三段式，平衡時(shí)氨氣的濃度為$c=\frac{2mol}{100L}=0.02mol/L$，25-40s內(nèi)，氨氣的濃度變化量為△c=25×10^-3-0.02=5×10^-3mol/L，平均化學(xué)反應(yīng)速率為$\overline{r}=\frac{△c}{△t}$；
②根據(jù)平衡常數(shù)的表達(dá)式$K=\frac{c（{H}_{2}O）}{{c}^{2}（N{H}_{3}）c（C{O}_{2}）}$，代入數(shù)據(jù)計(jì)算即可；
③反應(yīng)40s時(shí)已經(jīng)達(dá)到平衡，40-60s內(nèi)是一條水平線；催化劑能縮短反應(yīng)到達(dá)平衡的時(shí)間，但不能改變化學(xué)反應(yīng)的平衡狀態(tài)，據(jù)此作圖；
（2）c線表示的是平衡體系中尿素的百分含量，尿素的百分含量越大，則尿素的量也越大；
（3）聯(lián)系常用提高反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率的方法：增加原料的量，溫度變化，壓強(qiáng)變化等；
（4）①N極電極處O₂轉(zhuǎn)化為H₂O，這個(gè)過程中O₂是得到電子的，因此N極應(yīng)為原電池正極，M電極就為原電池負(fù)極，電極反應(yīng)應(yīng)為CO（NH₂）₂失去電子被氧化，考慮到轉(zhuǎn)化為環(huán)境友好型物質(zhì)，則產(chǎn)物為CO₂，N₂和H₂O；
②N極消耗標(biāo)準(zhǔn)狀況下33.6L氣體，即1.5molO₂，根據(jù)電子守恒，計(jì)算M極理論上處理的尿素的量．

解答 解：（1）①25-40s內(nèi)，根據(jù)圖1，25s時(shí)，氨氣濃度為25×10^-3mol/L，根據(jù)三段式的結(jié)果，平衡時(shí)，即40s時(shí)，氨氣濃度為$c=\frac{2mol}{100L}=0.02mol/L$，則氨氣在25-40s內(nèi)濃度變化量為△c=25×10^-3-0.02=5×10^-3mol/L，因此氨氣的化學(xué)反應(yīng)平均速率為$\overline{r}=\frac{△c}{△t}=\frac{5×1{0}^{-3}mol/L}{15s}=3.3×1{0}^{-4}$mol/（L•s）．故答案為：3.3×10^-4mol/（L•s）．
②反應(yīng)為2NH₃（g）+CO₂（g）?CO（NH₂）₂（l）+H₂O（g），該反應(yīng)的平衡常數(shù)為$K=\frac{c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）{c}^{2}（N{H}_{3}）}$，根據(jù)三段式結(jié)果，平衡時(shí)，$c（N{H}_{3}）=\frac{2mol}{100L}=0.02mol/L$，$c（C{O}_{2}）=\frac{1mol}{100L}=0.01mol/L$，$c（{H}_{2}O）=\frac{1mol}{100L}=0.01mol/L$，代入計(jì)算得$K=\frac{0.01mol/L}{0.01mol/L×（0.02mol/L）^{2}}$=2500L²/mol²．故答案為：2500L²/mol²．
③反應(yīng)到達(dá)40s時(shí)已經(jīng)達(dá)到了平衡，40s-60s內(nèi)，各組分濃度已經(jīng)不再發(fā)生變化了，圖象是一條水平線，平衡時(shí)候，$c（N{H}_{3}）=20×1{0}^{-3}mol/L$，當(dāng)使用催化劑時(shí)，催化劑能縮短反應(yīng)到達(dá)平衡時(shí)的時(shí)間，但不改變平衡的狀態(tài)，即平衡時(shí)候各組分濃度與未使用催化劑時(shí)完全一致．圖象為，
故答案為：．
（2）c線表示的是平衡體系中尿素的百分含量，尿素的百分含量越大，則尿素的量也越大，尿素的產(chǎn)率也就越高，結(jié)合圖象來看，當(dāng)氨碳比$\frac{n（N{H}_{3}）}{n（C{O}_{2}）}=2$時(shí)，c線上最最高點(diǎn)，此時(shí)尿素的百分含量最高，尿素的產(chǎn)率也最高，產(chǎn)量為最大．故答案為：2；
（3）常用提高反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率的方法：增加原料的量，溫度變化，壓強(qiáng)變化，因此工業(yè)上為提高尿素的產(chǎn)率，反應(yīng)的焓變△H＜0，降低溫度有利于反應(yīng)正向進(jìn)行；反應(yīng)也為氣體數(shù)減小的反應(yīng)，降低壓強(qiáng)也可促使平衡向右移動(dòng)，可采取的措施有增大反應(yīng)物濃度、增大壓強(qiáng)、降低溫度．故答案為：增大反應(yīng)物濃度、增大壓強(qiáng)、降低溫度；
（4）①N極電極處O₂轉(zhuǎn)化為H₂O，這個(gè)過程中O₂是得到電子的，因此N極應(yīng)為原電池正極，M電極就為原電池負(fù)極，電極反應(yīng)應(yīng)為CO（NH₂）₂失去電子被氧化，考慮到轉(zhuǎn)化為環(huán)境友好型物質(zhì)，則產(chǎn)物為CO₂，N₂和H₂O，電極反應(yīng)方程式為：$CO（N{H}_{2}）_{2}+{H}_{2}O-6{e}^{-}$═$C{O}_{2}↑+{N}_{2}↑+6{H}^{+}$．故答案為：正，$CO（N{H}_{2}）_{2}+{H}_{2}O-6{e}^{-}$═$C{O}_{2}↑+{N}_{2}↑+6{H}^{+}$；
②N極的電極反應(yīng)方程式為：${O}_{2}+4{e}^{-}+4{H}^{+}=2{H}_{2}O$，根據(jù)電子守恒，存在反應(yīng)關(guān)系為3O₂～～～～～～2CO（NH₂）₂，消耗33.6LO₂，即消耗氧氣為$n（{O}_{2}）=\frac{33.6L}{22.4L/mol}=1.5mol$，則理論上可以處理尿素的物質(zhì)的量為$n[（CO（N{H}_{2}）_{2}]=1.5mol×\frac{2}{3}=1mol$，其質(zhì)量為m=1mol×60g/mol=60g．故答案為：60．

點(diǎn)評(píng) 本題考察了化學(xué)平衡三段式的應(yīng)用，化學(xué)平衡常數(shù)的計(jì)算，化學(xué)平衡的移動(dòng)，電化學(xué)的相關(guān)知識(shí)，題目較為綜合，難度不大，是基礎(chǔ)題．需注意，實(shí)驗(yàn)平衡常數(shù)是有單位的，需要帶單位進(jìn)行計(jì)算．