Question

【題目】尿素在農業(yè)、醫(yī)藥等諸多領域應用廣泛。工業(yè)上有多種工藝用NH3和CO2直接合成尿素。

(1)水溶液全循環(huán)法合成尿素的反應過程可用下列熱化學方程式表示：

反應I 2NH3(1) +CO2(g)NH2 COONH4(1) △H1 = - 119.2 kJmol-1

反應II NH2COONH4(1)CO(NH2)2(1)+ H2O(1) △H2= 15.5 kJmol-1

①寫出NH3(1)與CO2(g)反應生成CO(NH2)2(1)和液態(tài)水的熱化學方程式：______。

②該工藝要求在190~ 200℃、13 ~ 24 MPa 的條件下反應，90℃左右反應可實現最高平衡轉化率。試解釋選擇高壓條件的理由：_________。

(2)在不同氨碳比L=和水碳比W= 條件下CO2平衡轉化率x隨溫度T變化情況如圖所示：

①CO2平衡轉化率x隨溫度T升高先增大后減小，試分析原因：_________。

②在圖中，畫出L=4、W=O時CO2平衡轉化率x隨溫度T變化的曲線示意圖____。

(3)實驗室模擬熱氣循環(huán)法合成尿素，T℃度時，將5.6mol NH3與5.2molCO2在容積恒定為0.5L的恒溫密閉容器中發(fā)生反應：2NH3(g)+CO2(g)CO(NH2)2(s)+H2O (g) △H1＝—43kJmol-1。達到平衡狀態(tài)時，NH3與CO2的平衡分壓之比 p(NH3): p(CO2)= 2:13。[p(NH3)= x(NH3)p，x(NH3)為平衡體系中NH3的物質的量分數，p為平衡總壓]。

①T ℃時，該反應的平衡常數 K = ______________。

②若不考慮副反應，對于該反應體系，下列說法正確的是 _________ 。

A.當反應體系中氣體分子的平均摩爾質量保持不變時，反應達到平衡狀態(tài)

B.相同條件下，提高水碳比或降低氨碳比都會使NH3 的平衡轉化率降低

C.在容器中加入CaO，(可與 H2O反應)，提高CO(NH2)2產率

D.反應開始后的一段時間內，適當升溫可提高單位時間內CO2的轉化率

Answer 1

【答案】2NH3(l)+ CO2(g)CO(NH2)2 (l)+ H2O(l) △H =-103.7kJ·mol-1 190~200℃時，NH 2COONH4 容易分解為 NH3和CO2，高壓有利于反應I正向進行 溫度升高，反應I平衡逆向移動，反應II 平衡正向移動，在190~200℃之前，反應II 正向進行的趨勢更大，190~200℃ 之后，反應I逆向進行的趨勢更大 1.5625 D

【解析】

（1）水溶液全循環(huán)法合成尿素的反應過程可用下列熱化學方程式表示：

反應I 2NH3(1) +CO2(g)NH2 COONH4(1) △H1 = - 119.2 kJmol-1

反應II NH2COONH4(1)CO(NH2)2(1)+ H2O(1) △H2= 15.5 kJmol-1

①根據蓋斯定律，反應I+反應II得：NH3(1)與CO2(g)反應生成CO(NH2)2(1)和液態(tài)水的熱化學方程式：2NH3(l)+ CO2(g)CO(NH2)2 (l)+ H2O(l) △H =-103.7kJ·mol-1。故答案為：2NH3(l)+ CO2(g)CO(NH2)2 (l)+ H2O(l) △H2=-103.7kJ·mol-1；

②反應I 2NH3(1) +CO2(g)NH2 COONH4(1) 是氣體體積減小的反應，選擇高壓條件的理由：190~200℃時，NH 2COONH4 容易分解為 NH3和CO2，高壓有利于反應I正向進行。故答案為：190~200℃時，NH 2COONH4 容易分解為 NH3和CO2，高壓有利于反應I正向進行；

（2）①CO2平衡轉化率x隨溫度T升高先增大后減小，因為：溫度升高，反應I平衡逆向移動，反應II 平衡正向移動，在190~200℃之前，反應II 正向進行的趨勢更大，190~200℃ 之后，反應I逆向進行的趨勢更大。故答案為：溫度升高，反應I平衡逆向移動，反應II 平衡正向移動，在190~200℃之前，反應II 正向進行的趨勢更大，190~200℃ 之后，反應I逆向進行的趨勢更大；

②L越大，氨的比例越大，根據反應I ，提高氨的濃度，二氧化碳的轉化率增大，曲線應在原曲線之上，溫度升高，反應I平衡逆向移動，反應II 平衡正向移動，在190~200℃之前，反應II 正向進行的趨勢更大，轉化率先增大，此后變小，L=4、W=O時CO2平衡轉化率x隨溫度T變化的曲線示意圖。故答案為：；

（3）①T ℃時，該反應的平衡常數:

，

x=2.6mol

K== 1.5625。

故答案為：1.5625；

②A．2NH3(g)+CO2(g)CO(NH2)2(s)+H2O (g) 該反應中，若平衡正向移動，混合氣的總質量減小，總物質的量也減小，所以反應體系中氣體分子的平均摩爾質量不能確定是否保持不變，故當反應體系中氣體分子的平均摩爾質量不再變化時，不能判斷反應是否達到平衡狀態(tài)，故A錯誤；

B．相同條件下，提高水碳比相當于提高生成物濃度，氨的平衡轉化率降低，降低氨碳比會使NH3的平衡轉化率增大，故B錯誤；

C．在容器中加入CaO，(可與 H2O)反應，但生成的氫氧化鈣也能與反應物反應，降低CO(NH2)2產率，故C錯誤；

D．反應開始后的一段時間內，在沒有達到平衡前，適當升溫可提高單位時間內CO2的轉化率，故D正確；

故選D。

故答案為：D。