Question

【題目】化學(xué)反應(yīng)原理在科研和生產(chǎn)中有廣泛應(yīng)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(chǔ)和關(guān)鍵。海洋中無機氮的循環(huán)過程可用下圖表示。

（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 （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(zhuǎn)化，將過程④的離子方程式補充完整：________NH4+ + 5O2 == 2NO2- + ________H+ +__________+__________。

Ⅱ．工業(yè)合成氨原理是：N2（g）+3H2（g）2NH3（g） △H <0，當反應(yīng)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。

（3）曲線a對應(yīng)的溫度是 。

（4）關(guān)于工業(yè)合成氨的反應(yīng)，下列敘述正確的是 。

A．及時分離出NH3可以提高H2的平衡轉(zhuǎn)化率

B．上圖中M、N、Q點平衡常數(shù)K的大小關(guān)系

是K（M）=K（Q）＞K（N）

C．M點比N點的反應(yīng)速率快

D．由曲線a可知，當壓強增加到100 MPa以上，NH3的物質(zhì)的量分數(shù)可達到100%

（5）如果N點時c（NH3）＝0.2mol·L－1，N點的化學(xué)平衡常數(shù)K＝ L2/mol2 （精確到小數(shù)點后兩位）。

Ⅲ．尿素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(yīng)實際為兩步反應(yīng)：

第一步：2NH3（g）＋CO2（g）H2NCOONH4（s） ΔH=－272kJ·mol－1

第二步：H2NCOONH4（s）CO（NH2）2（s）＋H2O（g） ΔH=＋138kJ·mol－1

（6）寫出工業(yè)上以NH3、CO2為原料合成尿素的熱化學(xué)方程式：_________________________。

（7）某實驗小組模擬工業(yè)上合成尿素的條件，在一體積為0.5 L的密閉容器中投入4 mol氨和1mol二氧化碳，實驗測得反應(yīng)中各組分的物質(zhì)的量隨時間的變化如下圖所示：

①反應(yīng)進行到10 min時測得CO2的物質(zhì)的量如圖所示，則用CO2表示的第一步反應(yīng)的速率v（CO2）＝

mol/（L·min）。

②已知總反應(yīng)的快慢由慢的一步?jīng)Q定，則合成尿素總反應(yīng)的快慢由第_________步反應(yīng)決定，總反應(yīng)進行到_________min時到達平衡。

Answer 1

【答案】Ⅰ．（1）②（1分）；（2） 4 NH4+ + 5O2 = 2NO2- + 6 H+ + N2O + 5H2O（2分）；

Ⅱ．（3）200℃ （2分） （4）AB（2分）（5）0.93（2分）

Ⅲ．（6）2NH3（g）＋CO2（g）H2O（g）＋CO（NH2）2 （s） ΔH=－134kJ/mol）（2分）

（7）①0.148 （2分）； ② 二 （1分）； 55 （1分）

【解析】

試題分析：Ⅰ．（1）氮的固定作用是指游離態(tài)氮元素發(fā)生反應(yīng)生成化合態(tài)氮元素的過程為固氮作用，由轉(zhuǎn)化關(guān)系圖可知只有反應(yīng)②是固氮作用；

（2）有氧時，在硝化細菌作用下，NH4+可實現(xiàn)過程④的轉(zhuǎn)化，生成N2O、NO2-、H+和水，氮元素化合價由-3價變化為+1價和+3價，氧元素化合價由0價變化為-2價，根據(jù)得失電子守恒配平得到離子方程式為4NH4++5O2＝2NO2-+6H++N2O+5H2O；

Ⅱ．（3）（1）該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，溫度升高，反應(yīng)逆向進行，氨氣的物質(zhì)的量分數(shù)降低，曲線a的氨氣的物質(zhì)的量分數(shù)最高，所以反應(yīng)溫度最低，因此a曲線對應(yīng)溫度為200°C；

（4）A．及時分離出NH3，降低生成物濃度，平衡正向進行，可以提高H2的平衡轉(zhuǎn)化率，A正確；B．溫度不變，平衡常數(shù)不變，該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，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(guān)系是K（M）＝K（Q）＞K（N），B正確；C．N點溫度高于M點，溫度越低反應(yīng)速率越快，所以N點比M點的反應(yīng)速率快，C錯誤；D．該反應(yīng)為可逆反應(yīng)，反應(yīng)不能進行到底，當壓強增加到100 MPa以上，NH3的物質(zhì)的量分數(shù)接近達到100%，D錯誤；答案選AB；

（5）N點時c（NH3）＝0.2molL-1，氨氣物質(zhì)的量分數(shù)為20%，則：

N2（g）+3H2（g）2NH3（g）

起始濃度（mol/L） x 3x 0

轉(zhuǎn)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0.2/（4x-0.2）＝0.2，解得x＝0.3，則平衡常數(shù)K＝c2（NH3）/c3（H2）c（N2）＝0.22/0.63×0.2＝0.93；

Ⅲ．（6）第一步：2NH3（g）＋CO2（g）H2NCOONH4（s） ΔH=－272kJ·mol－1———①

第二步：H2NCOONH4（s）CO（NH2）2（s）＋H2O（g） ΔH=＋138kJ·mol－1———②

根據(jù)蓋斯定律①+②得2NH3（g）＋CO2（g）H2O（g）＋CO（NH2）2 （s） ΔH=－134kJ/mol；

（7）①由圖可知反應(yīng)進行到10 min時測得CO2的物質(zhì)的量由1mol變?yōu)?/span>0.26mol，則用CO2表示的第一步反應(yīng)的速率v（CO2）＝＝0.148mol/（L·min）；

②由圖像可知在15min左右，第一步反應(yīng)的氨氣和二氧化碳反應(yīng)生成氨基甲酸銨后不再變化，第二步反應(yīng)的氨基甲酸銨先增大再減小最后達到平衡，從曲線斜率可知第二步反應(yīng)速率慢，所以合成尿素總反應(yīng)的快慢由第二步反應(yīng)決定，由圖可知，尿素在55分鐘時，物質(zhì)的量不再變化，所以總反應(yīng)進行到55min時到達平衡。