Question

氮的化合物合成、應用及氮的固定一直是科學研究的熱點。
（1）以CO₂與NH₃為原料合成化肥尿素的主要反應如下：
①2NH₃(g)＋CO₂(g)＝NH₂CO₂NH₄(s)；ΔH＝－159.47 kJ·mol^－1
②NH₂CO₂NH₄(s)＝CO (NH₂)₂(s)＋H₂O(g)；ΔH＝a kJ·mol^－1
③2NH₃(g)＋CO₂(g)＝CO(NH₂)₂(s)＋H₂O(g)；ΔH＝－86.98 kJ·mol^－1
則a為               。
（2）反應2NH₃(g)＋CO₂(g)CO(NH₂)₂(l)＋H₂O(g)在合成塔中進行。下圖中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三條曲線為合成塔中按不同氨碳比 [n(NH₃)/n(CO₂)]和水碳比[n(H₂O)/n(CO₂)]投料時二氧化碳轉化率的情況。

①曲線Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ水碳比的數值分別為：
A. 0.6～0.7       B. 1～1.1        C. 1.5～1.61
生產中應選用水碳比的數值為     （選填序號）。
②生產中氨碳比宜控制在4.0左右，而不是4.5的原因可能是   。
（3）尿素可用于濕法煙氣脫氮工藝，其反應原理為：
NO＋NO₂＋H₂O＝2HNO₂      2HNO₂＋CO(NH₂)₂＝2N₂↑＋CO₂↑＋3H₂O。
①當煙氣中NO、NO₂按上述反應中系數比時脫氮效果最佳。若煙氣中V(NO)∶V(NO₂)＝5∶1時，可通入一定量的空氣，同溫同壓下，V(空氣)∶V(NO)＝      （空氣中氧氣的體積含量大約為20%）。
②下圖是尿素含量對脫氮效率的影響，從經濟因素上考慮，一般選擇尿素濃度約為           %。

（4）下圖表示使用新型電極材料，以N₂、H₂為電極反應物，以HCl－NH₄Cl為電解質溶液制造出既能提供能量，同時又能實現氮固定的新型燃料電池。請寫出該電池的正極反應式             。生產中可分離出的物質A的化學式為       。

Answer 1

20．（14分）
（1）＋72.49（2分）
（2）①A （2分）
②氨碳比在4.5時，NH₃的量增大較多，而CO₂的轉化率增加不大，提高了生產成本（2分）
（3）①1∶1（2分）   ②5（±0.2）% （2分）
（4）N₂＋6e^—＋8H⁺＝2NH₄⁺（2分）    NH₄Cl（2分）

試題分析：
（1）根據蓋斯定律，方程式③＝②+①，反應熱也進行相應運算，求得a為72.49；
（2）①水碳比的數值在 0.6～0.7 范圍進轉化率提升更快，所以選A；
②由圖像分析可以看出，氨碳比在4.5時，NH₃的量增大較多，而CO₂的轉化率增加不大，提高了生產成本，不符合經濟效益。
（3）①煙氣中V(NO)∶V(NO₂)＝5∶1，假設NO為5mol,那么NO₂為1 mo，根據NO＋NO₂＋H₂O＝2HNO₂ 這個反應，只有兩者物質的量相同時才能完全被吸收，這時需要O2，根據2NO+ O2＝2NO₂，可知應該有2molNO參加反應生成2mol NO₂，這個過程需要O₂1 mol，而空氣中氧氣的體積含量大約為20%，要提供O₂1 mol需要空氣物質的量為5mol，所以V(NO)∶V(空氣)＝1∶1
②由圖像可以看出當尿素濃度在5左右時轉化率已經比較高了，如果濃度再增大時轉化率提高不明顯，所以答案填5（±0.2）%都算正確。
（4）根據氧化還原反應原理，由于N₂、H₂為電極反應物，正極反應元素化合價應該降低，得到電子，首先確定N₂參與正極反應，再根據電解質溶液情況產物應該為NH₄⁺，從電子守恒和電荷守恒及原子個數守恒三個角度可以確定其電極反應式為N₂＋6e^—＋8H⁺＝2NH₄⁺， 由于電池工作中有NH₄Cl生成，所以生產中可分離出的物質為NH₄Cl。