Question

16．化學反應原理在科研和生產(chǎn)中有廣泛應用．
Ⅰ．氮元素在海洋中的循環(huán)，是整個海洋生態(tài)系統(tǒng)的基礎和關鍵．海洋中無機氮的循環(huán)過程可用圖1表示．

（1）海洋中的氮循環(huán)起始于氮的固定，其中屬于固氮作用的一步是②（填圖中數(shù)字序號）．
（2）有氧時，在硝化細菌作用下，NH₄⁺可實現(xiàn)過程④的轉化，將過程④的離子方程式補充完整：4NH₄⁺+5O₂═2NO₂^-+6H⁺+1N₂O+5H₂O
Ⅱ．工業(yè)合成氨原理是：N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H＜0，當反應器中按n（N₂）：n（H₂）=1：3投料，分別在200℃、400℃、600℃下達到平衡時，混合物中NH₃的物質(zhì)的量分數(shù)隨壓強的變化曲線如圖2．
（1）曲線a對應的溫度是200℃．
（2）關于工業(yè)合成氨的反應，下列敘述正確的是ABD．
A．及時分離出NH₃可以提高H₂的平衡轉化率
B．上圖中M、N、Q點平衡常數(shù)K的大小關系是K（M）=K（Q）＞K（N）
C．M點比N點的反應速率快
D．如果N點時c（NH₃）=0.2mol•L^-1，N點的化學平衡常數(shù)K≈0.93L²/mol²
Ⅲ．尿素[CO（NH₂）₂]是一種非常重要的高效氮肥，工業(yè)上以NH₃、CO₂為原料生產(chǎn)尿素，該反應實際為兩步反應：
第一步：2NH₃（g）+CO₂（g）═H₂NCOONH₄（s）△H=-272kJ•mol^-1
第二步：H₂NCOONH₄（s）═CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g）△H=+138kJ•mol^-1
（1）寫出工業(yè)上以NH₃、CO₂為原料合成尿素的熱化學方程式：2NH₃（g）+CO₂（g）?H₂O（g）+CO（NH₂）₂ （s）△H=-134kJ/mol
（2）某實驗小組模擬工業(yè)上合成尿素的條件，在一體積為0.5L密閉容器中投入4mol氨和1mol二氧化碳，實驗測得反應中各組分的物質(zhì)的量隨時間的變化如圖3所示：

已知總反應的快慢由慢的一步?jīng)Q定，則合成尿素總反應的快慢由第2步反應決定，總反應進行到55min時到達平衡．
（3）電解尿素[CO（NH₂）₂]的堿性溶液制純凈氫氣的過程中同時產(chǎn)生氮氣．電解時，陽極的電極反應式為CO（NH₂）₂+8OH^--6e^-=CO₃^2-+N₂↑+6H₂O．

Answer 1

分析 Ⅰ．（1）氮的固定作用是指游離態(tài)氮元素發(fā)生反應生成化合態(tài)氮元素的過程為固氮作用，即單質(zhì)變化為化合物；
（2）有氧時，在硝化細菌作用下，NH₄⁺可實現(xiàn)過程④的轉化，生成N₂O、NO₂^-、H⁺和水，結合電荷守恒和原子守恒配平書寫離子方程式得到；
Ⅱ．（1）正反應是放熱反應，升高溫度平衡逆向移動，氨氣的含量減��；
（2）A．減小生成物濃度平衡正向移動；
B．K只受溫度影響，溫度不變平衡常數(shù)不變，正反應為放熱反應，升高溫度平衡逆向移動，平衡常數(shù)減�。�
C．溫度越高反應速率越快；
D．計算平衡時各組分濃度，代入K=$\frac{{c}^{2}（N{H}_{3}）}{c（{N}_{2}）{c}^{3}（{H}_{2}）}$計算平衡常數(shù)；
Ⅲ．（1）已知：①2NH₃（g）+CO₂（g）═H₂NCOONH₄（s）△H=-272kJ•mol^-1；
②H₂NCOONH₄（s）═CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g）△H=+138kJ•mol^-1；
根據(jù)蓋斯定律，①+②可得：2NH₃（g）+CO₂（g）?H₂O（g）+CO（NH₂）₂ （s）；
（2）已知總反應的快慢由慢的一步?jīng)Q定，反應快慢可以依據(jù)第一步和第二步反應的曲線斜率比較大小；
（3）電解尿素[CO（NH₂）₂]的堿性溶液制純凈氫氣的過程中同時產(chǎn)生氮氣，電解時，陽極上發(fā)生氧化反應得到氧化產(chǎn)物，即為氮氣，據(jù)此書寫電極反應式．

解答 解：Ⅰ．（1）氮的固定作用是指游離態(tài)氮元素發(fā)生反應生成化合態(tài)氮元素的過程為固氮作用，即單質(zhì)變化為化合物，分析轉化關系圖可知只有反應②是氮氣保護為銨根離子是固氮作用，
故答案為：②；
（2）有氧時，在硝化細菌作用下，NH₄⁺可實現(xiàn)過程④的轉化，生成N₂O、NO₂^-、H⁺和水，氮元素化合價-3價變化為+1價和+3價，氧元素化合價0價變化為-2價，電子轉移總數(shù)20e^-，所以銨根離子前為4，氧氣前為5，NO₂^-前為2，N₂O前為1，結合電荷守恒得到氫離子前為6，水分子式前為5，配平得到離子方程式為：4NH₄⁺+5O₂═2NO₂^-+6H⁺+N₂O+5H₂O，
故答案為：4，6，1N₂O，5H₂O；
Ⅱ．（1）合成氨的反應為放熱反應，反應溫度越高，越不利于反應正向進行，曲線a的氨氣的物質(zhì)的量分數(shù)最高，其反應溫度對應相對最低，所以a曲線對應溫度為200°C；
故答案為：200℃；
（2）A．及時分離出NH₃，可以使平衡正向進行，可以提高H₂的平衡轉化率，故A正確；
B．平衡常數(shù)與溫度有關，與其他條件無關，溫度相同時平衡常數(shù)相同，反應是放熱反應，溫度越高平衡常數(shù)越小，則M、N、Q點平衡常數(shù)K的大小關系是K（M）=K（Q）＞K（N），故B正確；
C．N點溫度高于M點，溫度越低反應速率越快，故N點比M點的反應速率快，故C錯誤；
D．N點時c（NH₃）=0.2mol•L^-1，氨氣體積分數(shù)為20%，則：
                  N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）
起始濃度（mol/L）：x       3x       0
變化濃度（mol/L）：0.1     0.3     0.2
平衡濃度（mol/L）：x-0.1   3x-0.3   0.2
所以$\frac{0.2}{4x-0.2}$=20%，解得x=0.3，平衡常數(shù)K=$\frac{{c}^{2}（N{H}_{3}）}{c（{N}_{2}）{c}^{3}（{H}_{2}）}$=$\frac{0．{2}^{2}}{0.2×0．{6}^{3}}$≈0.93L²/mol²，故D正確；
故答案為：ABD；
Ⅲ．（1）已知：①2NH₃（g）+CO₂（g）═H₂NCOONH₄（s）△H=-272kJ•mol^-1；
②H₂NCOONH₄（s）═CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g）△H=+138kJ•mol^-1；
根據(jù)蓋斯定律，①+②可得：2NH₃（g）+CO₂（g）?H₂O（g）+CO（NH₂）₂ （s）△H=-134kJ/mol，
故答案為：2NH₃（g）+CO₂（g）?H₂O（g）+CO（NH₂）₂ （s）△H=-134kJ/mol；
（2）①由圖象可知在15分鐘左右，氨氣和二氧化碳反應生成氨基甲酸銨后不再變化發(fā)生的是第一步反應，氨基甲酸銨先增大再減小最后達到平衡，發(fā)生的是第二步反應，從曲線斜率不難看出第2步反應速率慢，所以合成尿素總反應的快慢由第2步反應決定，根據(jù)圖可知，尿素在55分鐘時，物質(zhì)的量不再變化，即反應達到平衡，所以總反應進行到55min時到達平衡，
故答案為：2；55；
（3）電解尿素[CO（NH₂）₂]的堿性溶液制純凈氫氣的過程中同時產(chǎn)生氮氣，電解時，陽極上發(fā)生氧化反應得到氧化產(chǎn)物，即為氮氣，電極反應式為CO（NH₂）₂+8OH^--6e^-=CO₃^2-+N₂↑+6H₂O，
故答案為：CO（NH₂）₂+8OH^--6e^-=CO₃^2-+N₂↑+6H₂O．

點評 本題考查化學平衡計算與影響因素、化學平衡圖象、熱化學方程式的書寫、鹽類水解等，試題知識點較多、綜合性較強，充分考查了學生的分析、理解能力及化學計算能力，題目難度中等．