Question

【題目】以二氧化碳為原料制備尿素工藝被廣泛研究。其反應(yīng)機(jī)理為：

反應(yīng)Ⅰ：CO2(g)+2NH3(g)NH2COONH4(l) H1=－117.2 kJ·mol1

反應(yīng)Ⅱ：NH2COONH4(l)NH2CONH2(l)+H2O(l) H2= +15.0 kJ·mol1

（1）反應(yīng)Ⅰ平衡常數(shù)K的表達(dá)式為_____________。

（2）由CO2(g)和NH3(g)合成尿素NH2CONH2(l)的熱化學(xué)方程式是__________。

（3）在恒容容器中按物質(zhì)的量之比1∶2通入CO2和NH3，下列不能說明合成尿素反應(yīng)達(dá)平衡狀態(tài)的是_________。

A.容器中氣體平均相對分子質(zhì)量不再變化

B.容器中氣體密度不再變化

C.NH3的體積分?jǐn)?shù)不再變化

D.容器內(nèi)壓強(qiáng)不再變化

（4）通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，其他條件不變時(shí)，改變NH3、CO2的物質(zhì)的量之比可增加尿素的產(chǎn)率，如圖為與尿素產(chǎn)率的關(guān)系曲線。通過曲線可知：______________過量對尿素產(chǎn)率的影響比較小。若在固定容器中按等于3.0通入CO2和NH3，則合成尿素反應(yīng)達(dá)平衡后，混合氣體中CO2的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為________（精確到0.1%）。

（5）探究發(fā)現(xiàn)，溫度、壓強(qiáng)、n(H2O)條件對合成尿素反應(yīng)的影響如圖1、圖2，根據(jù)圖像回答下列問題：

①其他條件不變時(shí)，對于合成尿素的反應(yīng)，若通入CO2物質(zhì)的量一定，按三種投料比[分別為 3.0、3.5、4.0]投料時(shí)，得到如圖1的橫軸對CO2的平衡轉(zhuǎn)化率的影響曲線。曲線A對應(yīng)的投料比是________。

②圖2中a、b、c、d 四條曲線中的兩條代表壓強(qiáng)分別為20 MPa、25 MPa時(shí)CO2平衡轉(zhuǎn)化率曲線，其中表示20MPa的是_________（填字母）。在實(shí)際生產(chǎn)中采用圖2中M點(diǎn)而不是N點(diǎn)對應(yīng)的反應(yīng)條件，運(yùn)用化學(xué)反應(yīng)速率和平衡知識，同時(shí)考慮生產(chǎn)實(shí)際，說明選擇該反應(yīng)條件的主要原因是________。

Answer 1

【答案】K= CO2(g)+2NH3(g)NH2CONH2(l)+H2O(l) ΔH=－102.2 kJ·mol1 AC CO2 18.2% 4.0 a 與300 ℃相比，200 ℃時(shí)CO2的平衡轉(zhuǎn)化率更高；雖然壓強(qiáng)越大、溫度越高反應(yīng)速率越快，但200 ℃、20 MPa條件下，對設(shè)備要求低，有利于降低成本

【解析】

（1）反應(yīng)中有固體或純液體參加，則它們的濃度不應(yīng)寫在平衡常數(shù)的表達(dá)式中，NH2COONH4(l)是純液體，則反應(yīng)Ⅰ的平衡常數(shù)表達(dá)式為K=；答案為：K=；

（2）根據(jù)蓋斯定律，反應(yīng)Ⅰ+反應(yīng)Ⅱ得：CO2(g)+2NH3(g)NH2CONH2(l) +H2O(l) ΔH= H1+H2=－117.2 kJ·mol1+(+15.0 kJ·mol1)=－102.2 kJ·mol1。答案為：CO2(g)+2NH3(g)NH2CONH2(l) +H2O(l) ΔH=－102.2 kJ·mol1；

（3）A．由于該混合氣體反應(yīng)前后均是CO2和NH3，且體積分?jǐn)?shù)之比恒為1∶2，故容器中氣體平均相對分子質(zhì)量恒定不變，不能說明反應(yīng)達(dá)到平衡；A項(xiàng)錯(cuò)誤；

B．容器中氣體密度等于氣體質(zhì)量除以容器體積，由于氣體總質(zhì)量在減少，故氣體密度不再變化時(shí)，反應(yīng)達(dá)到平衡；B項(xiàng)正確；

C．整個(gè)反應(yīng)過程NH3的體積分?jǐn)?shù)恒定為，故不能說明達(dá)到平衡；C項(xiàng)錯(cuò)誤；

D．壓強(qiáng)與氣體總物質(zhì)的量相關(guān)，由于氣體總物質(zhì)的量在變化，故容器內(nèi)壓強(qiáng)不變時(shí)，說明反應(yīng)達(dá)到平衡。D項(xiàng)正確；

答案為A、C。

（4）根據(jù)曲線可知，CO2過量，尿素產(chǎn)率由42%增加至45%，而NH3過量，尿素產(chǎn)率由42%增加至接近90%，故CO2過量對尿素產(chǎn)率的影響比較小。根據(jù)圖像知，=3時(shí)，尿素產(chǎn)率為60%，可轉(zhuǎn)化為CO2轉(zhuǎn)化率為60%，再利用三段式求解。

設(shè)反應(yīng)中CO2投入了amol，NH3投入了3amol，則有：

CO2 (g) + 2NH3(g)NH2CONH2(l) + H2O(l)

則混合氣體中CO2的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為，答案為：18.2%；

（5）①當(dāng)一定時(shí)，比值越大，即NH3越多，CO2span>轉(zhuǎn)化率越大，故A曲線代表比值為4.0。答案為：4.0；

②由于合成尿素反應(yīng)CO2(g)+2NH3(g)NH2CONH2(l)+H2O(l) ΔH=－102.2 kJ·mol1是一個(gè)放熱反應(yīng)，因此溫度升高，平衡逆向移動，CO2的平衡轉(zhuǎn)化率降低，從曲線a，b中選擇。當(dāng)溫度一定，壓強(qiáng)增大，平衡正向移動，CO2的平衡轉(zhuǎn)化率增大，故20 MPa條件下的曲線為a。M點(diǎn)條件為200 ℃，20MPa；N點(diǎn)條件為300 ℃，25 MPa。與300℃相比，200℃時(shí)CO2的平衡轉(zhuǎn)化率更高；雖然壓強(qiáng)越大、溫度越高反應(yīng)速率越快，但200℃、20MPa條件下，對設(shè)備要求低，有利于降低成本。答案為：a；與300℃相比，200℃時(shí)CO2的平衡轉(zhuǎn)化率更高；雖然壓強(qiáng)越大、溫度越高反應(yīng)速率越快，但200℃、20MPa條件下，對設(shè)備要求低，有利于降低成本。