Question

7．二氧化碳是一種寶貴的碳氧資源．以CO₂和NH₃為原料合成尿素是固定和利用CO₂的成功范例．在尿素合成塔中的主要反應(yīng)可表示如下：
反應(yīng)  I：2NH₃（g）+CO₂（g）?NH₂COONH₄（s）△H₁=-159.47KJ•mol^-1
反應(yīng) II：NH₂COONH₄（s）?CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g）△H₂=+72.49KJ•mol^-1
請(qǐng)回答下列問(wèn)題：
（l）寫出CO₂和NH₃為原料生成尿素和氣態(tài)水的熱化學(xué)反應(yīng)方程式2NH₃（g）+CO₂（g）?CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g）△H=-86.98kJ•mol^-1，反應(yīng) II自發(fā)進(jìn)行的條件是高溫．
（2）CO₂和NH₃為原料合成尿素的反應(yīng)中影響CO₂轉(zhuǎn)化率的因素很多，圖1為某待定條件下，不同水碳比[$\frac{n（{H}_{2}O）}{n（C{O}_{2}）}$]和溫度影響CO₂轉(zhuǎn)化率變化的趨勢(shì)曲線．下列說(shuō)法不正確的是ABCD．
A．溫度升髙該反應(yīng)平衡常數(shù)逐漸減小，移走部分尿素平衡向正方向移動(dòng)
B．當(dāng)溫度低于190℃，隨溫度升髙CO₂轉(zhuǎn)化率逐漸增大，其原因可能是溫度升高平衡向正方向移動(dòng)
C．當(dāng)溫度髙于190℃后，隨溫度升髙CO₂轉(zhuǎn)化率逐漸減小，其原因可能是溫度升高發(fā)生了副反應(yīng)
D．其他條件相同時(shí)，為提髙CO₂的轉(zhuǎn)化率，生產(chǎn)中可以采取的措施是提高水碳比
（3）某研究小組為探究反應(yīng)I中影響_C（CO₂）的因素，在恒溫下將0.4molNH₃和0.2molCO₂放入容積為2L的密閉容器中，t₁時(shí)達(dá)到平衡，其c（CO₂）隨時(shí)間t變化趨勢(shì)曲線如圖2所示．則其逆反應(yīng)的平衡常數(shù)為6.25×10^-5．若其他條件不變，t₁時(shí)將容器體積壓縮到1L，請(qǐng)畫出t₁〜t₂時(shí)間段_C（CO₂）隨時(shí)間t變化趨勢(shì)曲線（t₂時(shí)達(dá)到新的平衡）．

（4）電解尿素[CO（NH₂）₂]的堿性溶液制氫氣的裝置示意圖如圖3，請(qǐng)寫出在A電極上發(fā)生的電極反應(yīng)式CO（NH₂）₂-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+N₂↑+6H₂O．

Answer 1

分析 （1）依據(jù)熱化學(xué)方程式和蓋斯定律計(jì)算Ⅰ+Ⅱ得到CO₂與NH₃合成尿素和氣態(tài)水的熱化學(xué)反應(yīng)方程式；△H-T△S＜0的反應(yīng)能夠自發(fā)進(jìn)行；
（2）A、CO₂和NH₃為原料合成尿素的反應(yīng)是放熱反應(yīng)，升溫平衡逆向進(jìn)行；減小生成物濃度平衡正向移動(dòng)，但尿素是固體，據(jù)此分析；
B、溫度低于190℃時(shí)反應(yīng)沒(méi)有達(dá)到平衡狀態(tài)；
C、當(dāng)溫度在190℃時(shí)反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，溫度升髙平衡逆向移動(dòng)；
D、據(jù)圖分析，水碳比越大二氧化碳轉(zhuǎn)化率越低；
（3）依據(jù)熱化學(xué)方程式2NH₃（g）+CO₂（g）?NH₂CO₂NH₄（s）結(jié)合平衡常數(shù)的概念和圖中數(shù)據(jù)計(jì)算其逆反應(yīng)的平衡常數(shù)；圖象分析二氧化碳的平衡濃度為0.025mol/L，體積縮小一半濃度增大一倍應(yīng)為0.05mol/L，隨反應(yīng)進(jìn)行達(dá)到平衡狀態(tài)，因?yàn)樯�成物為固體，最后達(dá)到相同平衡狀態(tài)，二氧化碳濃度不變，據(jù)此畫出變化曲線；
（4）尿素[CO（NH₂）₂]中的氮由-3價(jià)到0價(jià)，發(fā)生氧化反應(yīng)，A為陽(yáng)極，據(jù)此分析．

解答 解：（1）①2NH₃（g）+CO₂（g）=NH₂CO₂NH₄（s）△H=-l59.47kJ•mol^-1
②NH₂CO₂NH₄（s）=CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g）△H=+72.49kJ•mol^-1
依據(jù)熱化學(xué)方程式和蓋斯定律計(jì)算Ⅰ+Ⅱ得到CO₂與NH₃合成尿素和氣態(tài)水的熱化學(xué)反應(yīng)方程式為2NH₃（g）+CO₂（g）?CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g）△H=-86.98kJ•mol^-1；反應(yīng) II：NH₂COONH₄（s）?CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g）△H₂=+72.49KJ•mol^-1為氣體體積增大的吸熱反應(yīng)，若使△H-T△S＜0，必須高溫下，
故答案為：2NH₃（g）+CO₂（g）?CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g）△H=-86.98kJ•mol^-1；高溫；
（2）A、CO₂和NH₃為原料合成尿素的反應(yīng)是放熱反應(yīng)，升溫平衡逆向進(jìn)行，平衡常數(shù)減小，尿素為固體，移走部分尿素對(duì)生成物濃度沒(méi)有影響，平衡不移動(dòng)，故A錯(cuò)誤；
B、溫度低于190℃時(shí)反應(yīng)沒(méi)有達(dá)到平衡狀態(tài)，所以二氧化碳的轉(zhuǎn)化率逐漸增大，故B錯(cuò)誤；
C、當(dāng)溫度在190℃時(shí)反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，CO₂和NH₃為原料合成尿素的反應(yīng)是放熱反應(yīng)，升溫平衡逆向進(jìn)行，二氧化碳轉(zhuǎn)化率減小，故C錯(cuò)誤；
D、據(jù)圖分析，水碳比越大二氧化碳轉(zhuǎn)化率越低，故D錯(cuò)誤；
故答案為：ABCD；
（3）據(jù)圖可知平衡狀態(tài)時(shí)c（CO₂）=0.025mol/L，反應(yīng)了0.075mol/L，則平衡時(shí)c（NH₃）=0.05mol/L，反應(yīng)Ⅰ：2NH₃（g）+CO₂（g）?NH₂CO₂NH₄（s）△H₁=-159.47kJ•mol^-1，其逆反應(yīng)的平衡常數(shù)K=[NH₃]²×[CO₂]=0.05²×0.025=6.25×10^-5，；
在恒溫下將0.4mol NH₃和0.2mol CO₂放入容積為2L的密閉容器中，達(dá)到平衡時(shí)，
                      2NH₃（g）+CO₂（g）?NH₂CO₂NH₄（s）
起始量（mol/L）  0.2       0.1           0
變化量（mol/L） 0.15       0.075
平衡量（mol/L） 0.05        0.025
t₁時(shí)達(dá)到平衡過(guò)程中c（CO₂）隨時(shí)間t變化趨勢(shì)曲線如圖2所示．若其他條件不變，t₁時(shí)將容器體積壓縮到1L，二氧化碳濃度應(yīng)增大到0.05mol/L，壓強(qiáng)增大，平衡正向進(jìn)行，由于生成物是固體，所以達(dá)到平衡狀態(tài)，二氧化碳濃度保持不變，據(jù)此畫出變化曲線為：
，
故答案為：6.25×10^-5；；

（4）尿素[CO（NH₂）₂]中的氮由-3價(jià)到0價(jià)，發(fā)生氧化反應(yīng)，A為陽(yáng)極，電極反應(yīng)式為：CO（NH₂）₂-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+N₂↑+6H₂O，故答案為：CO（NH₂）₂-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+N₂↑+6H₂O．

點(diǎn)評(píng) 本題考查了蓋斯定律的應(yīng)用、化學(xué)平衡狀態(tài)概念、特征、平衡轉(zhuǎn)化率的求算、方程式的書寫和電極反應(yīng)式的書寫，題目難度中等，解此類題關(guān)鍵要看清圖象表達(dá)的含義，運(yùn)用平衡理論求解．