Question

合成氨然后再生產(chǎn)尿素是最重要的化工生產(chǎn)．
Ⅰ．在3個2L的密閉容器中，在相同的溫度下、使用相同的催化劑分別進行反應：3H₂（g）+N₂（g）

高溫、高壓

催化劑

2NH₃（g），按不同方式投入反應物，保持恒溫、恒容，測得反應達到平衡時有關數(shù)據(jù)如下：

容器	甲	乙	丙
反應物投入量	3mol H2、2mol N2	6mol H2、4mol N2	2mol NH3
達到平衡的時間/min		5	8
平衡時N2的濃度/mol?L-1	c1	1.5
NH3的體積分數(shù)	ω1		ω3
混合氣體密度/g?L-1	ρ1	ρ2

（1）容器乙中反應從開始到達平衡的反應速率為v（H₂）=

 

．
（2）在該溫度下甲容器中反應的平衡常數(shù)K=

 

（用含c₁的代數(shù)式表示）．
（3）分析上表數(shù)據(jù)，下列關系正確的是

 

（填序號）：
a．2c₁＞1.5mol/L         b．2ρ₁=ρ₂       c．ω₃=ω₁
Ⅱ．工業(yè)上用氨氣合成尿素（H₂NCONH₂）的反應在進行時分為如下兩步：
第一步：2NH₃（l）+CO₂（g）?H₂NCOONH₄（l）（氨基甲酸銨）△H₁
第二步：H₂NCOONH₄（l）?H₂O（l）+H₂NCONH₂（l）△H₂
（4）某實驗小組模擬工業(yè)上合成尿素的條件，在一體積為0.5L密閉容器中投入4mol氨和1mol二氧化碳，實驗測得反應中各組分隨時間的變化如圖Ⅰ所示：

①已知總反應的快慢由慢的一步?jīng)Q定，則合成尿素總反應的快慢由第

 

步反應決定．
②第二步反應的平衡常數(shù)K隨溫度T的變化如圖Ⅱ所示，則△H₂

 

 0．
（5）氨和尿素溶液都可以吸收硝工業(yè)尾氣中的NO、NO₂，將其轉化為N₂．
①尿素與NO、NO₂三者等物質的量反應為：CO（NH₂）₂+NO+NO₂=CO₂+2N₂+2H₂O該反應中的氧化劑為

 

（寫化學式）．
②已知：N₂（g）+O₂（g）=2NO（g）△H=a kJ?mol^-1
N₂（g）+3H₂（g）=2NH₃（g）△H₂=b kJ?mol^-1
2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（g）△H=c kJ?mol^-1
則4NH₃（g）+4NO（g）+O₂（g）=4N₂（g）+6H₂O（g）△H

 

 kJ?mol^-1．

Answer 1

考點：用蓋斯定律進行有關反應熱的計算,物質的量或濃度隨時間的變化曲線

專題：基本概念與基本理論

分析：（1）先計算出用氮氣表示的反應速率，然后利用化學計量數(shù)關系計算出用氫氣表示的反應速率；
（2）計算出反應前氮氣、氫氣的物質的量濃度，然后利用化學平衡三段式計算出達到平衡時各組分的濃度，最后根據(jù)化學平衡常數(shù)表達式計算出該溫度下的平衡常數(shù)；
（3）先將丙中的數(shù)據(jù)按照化學計量數(shù)轉化成反應物氮氣、氫氣的物質的量，然后利用等效平衡知識進行分析；
（4）①從氨、CO₂曲線下降及氨基甲酸銨曲線升高看出第一步是快反應；從尿素曲線升高緩慢看出第二步是慢反應，總反應的快慢由慢的一步?jīng)Q定；
②依據(jù)化學平衡常數(shù)的表達意義和計算分析判斷平衡移動方向；
（5）①根據(jù)氧化還原反應反應方程式中氧化劑化合價降低，反應中被還原分析該反應中的氧化劑；
②依據(jù)熱化學方程式和蓋斯定律計算出該反應的焓變．

解答： 解：（1）容器乙中，反應前氮氣的濃度為：

4mol

2L

=2mol/L，氮氣的平均反應速率為：v（N₂）=

2mol/L-1.5mol/L

5min

=0.1mol?L^-1?min^-1，根據(jù)反應3H₂（g）+N₂（g）?2NH₃（g）可知：v（H₂）=3v（N₂）=0.3 mol?L^-1?min^-1，
故答案為：0.3 mol?L^-1?min^-1；
（2）甲容器中，反應前氫氣濃度為：c（H₂）=

3mol

2L

=1.5mol/L，氮氣的濃度為：

2mol

2L

=1mol/L，達到平衡時氮氣的濃度變化為：（1-c₁）mol/L，
由化學平衡的三段式可得：3H₂（g）+N₂（g）?2NH₃（g）
反應前（mol/L）：1.5        1          0
濃度變化：（mol/L）：3（1-c₁）   （1-c₁）     2（1-c₁）
反應后：（mol/L）：1.5-3（1-c₁） 1-（1-c₁）  2（1-c₁）
在該溫度下甲容器中反應的平衡常數(shù)K=

(2-2c1)2

c1?(3c1-1.5)

，
故答案為：

(2-2c1)2

c1?(3c1-1.5)

；
（3）恒溫、恒容條件下：
a．假設乙容器的容積為4L，則達到平衡時甲乙為等效平衡，各組分的含量、濃度相等，此時氮氣的濃度為c₁，然后將容器的容積縮小到2L，若平衡不移動，2c₁=1.5mol/L，由于壓強增大，平衡向著正向移動，氨氣的濃度增大，所以2c₁＞1.5mol/L，故a正確；    
b．反應前后都是氣體，容器的容積都是2L，乙中混合氣體的質量為甲的2倍，根據(jù)ρ=

m

V

可知：2ρ₁=ρ₂，故b正確；
c．丙中2mol氨氣相當于加入了1mol氮氣、3mol氫氣，而甲中為3mol H₂、2mol N₂，由于丙反應物氮氣的物質的量減小，生成的氨氣的物質的量減小，所以ω₃＜ω₁，故c錯誤；
故選ab；
（4）①由圖象可知在15分鐘左右，氨氣和二氧化碳反應生成氨基甲酸銨后不再變化發(fā)生的是第一步反應，氨基甲酸銨先增大再減小最后達到平衡，發(fā)生的是第二部反應，從曲線斜率不難看出第二部反應速率慢，所以已知總反應的快慢由慢的一步?jīng)Q定，則合成尿素總反應的快慢由第二步?jīng)Q定，
故答案為：二；
②第二步反應的平衡常數(shù)K隨溫度的升高增大，說明反應是吸熱反應，△H₂＞0，故答案為：＞；
（5）①反應CO（NH₂）₂+NO+NO₂=CO₂+2N₂+2H₂O中，化合價升高和降低的都是氮元素，其中NO、NO₂中的氮元素化合價降低，被還原，在反應中作氧化劑，
故答案為：NO、NO₂；    
②已知：①N₂（g）+O₂（g）=2NO（g）△H=a kJ?mol^-1
②N₂（g）+3H₂（g）=2NH₃（g）△H₂=b kJ?mol^-1
③2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（g）△H=c kJ?mol^-1
依據(jù)蓋斯定律③×3-2×②-2×①得到，4NO（g）+4NH₃（g）+O₂（g）═4N₂（g）+6H₂O（g）△H=（3c-2a-2b）kJ/mol，故答案為：（3c-2a-2b）．

點評：本題考查了化學平衡的影響因素分析、化學反應速率的影響因素判斷、化學反應速率的計算等知識，題目難度中等，注意掌握化學平衡的影響因素、化學反應速率的計算方法，能夠利用蓋斯定律求算反應中的焓變．