Question

【題目】含氮類化合物在人類的日常生活中有著重要的作用。

(1)研究表明，在200℃，壓強(qiáng)超過200MPa時，不使用催化劑，氨便可以順利合成。但工業(yè)上合成NH3往往在溫度500℃壓強(qiáng)20~50MPa的條件下進(jìn)行，已知合成氨為放熱反應(yīng)，試分析原因_____________。

(2)工業(yè)上常利用4NH3(g)+5O2(g)4NO(g)+6H2O(g)生產(chǎn)硝酸。在同溫條件下，向2L的反應(yīng)容器中充入2mol NH3與2.75molO2，平衡時NH3轉(zhuǎn)化率為50%，則該溫度下K=___；保持溫度不變，增大壓強(qiáng)，則平衡常數(shù)_____(填“增大”、“減小”或“不變”)；其他條件不變，下列措施一定可以增大氨氣轉(zhuǎn)化率的是____。

A．降低氨氣濃度 B．增大容器體積 C．降低溫度 D．移除水蒸氣 E．選擇合適的催化劑

(3)已知：A．2NH3(g)+CO2(g)NH2COONH4(l) ΔH=-123kJ/mol

B．NH2COONH4(l)(NH2)2CO(g)+H2O(g) ΔH= +50kJ/mol

①在工業(yè)生產(chǎn)中，尿素是由以上A、B兩步合成的，則工業(yè)上由氨氣與二氧化碳合成尿素的熱化學(xué)反應(yīng)方程式為：_______________。

②尿素合成過程中通過控制溫度、NH3和CO2的物質(zhì)的量比(氨碳比a)等因素來提高CO2的轉(zhuǎn)化率。如圖是在其他因素一定，不同氨碳比條件下CO2平衡轉(zhuǎn)化率與溫度的關(guān)系圖。由圖可知當(dāng)溫度一定時，a值越大，CO2轉(zhuǎn)化率越大其原因是______；當(dāng)a一定時，CO2平衡轉(zhuǎn)化率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，其原因為_______。

Answer 1

【答案】溫度太低反應(yīng)太慢，壓強(qiáng)太大對設(shè)備要求較高，壓強(qiáng)太低轉(zhuǎn)化率下降 0.75 不變 ABD 2NH3(g)+CO2(g)(NH2)2CO(g) +H2O(g) ΔH=-73kJ/mol a值越大，NH3占反應(yīng)物比例高，平衡向正向移動提高了CO2轉(zhuǎn)化率 前半段B反應(yīng)為主導(dǎo)因素，溫度升高，促進(jìn)B反應(yīng)向正向移動，后半段A反應(yīng)為主導(dǎo)因素，A反應(yīng)向逆向移動

【解析】

(1)合成氨為氣體體積減小的放熱反應(yīng)，據(jù)影響反應(yīng)速率和平衡移動的因素分析合成氨反應(yīng)的最優(yōu)條件的選擇；

(2)根據(jù)各物質(zhì)的起始量和氨氣的轉(zhuǎn)化率，結(jié)合三段式計算出各物質(zhì)的平衡濃度，從而計算出該反應(yīng)的平衡常數(shù)；平衡常數(shù)是溫度的函數(shù)，據(jù)此分析壓強(qiáng)對平衡常數(shù)的影響；根據(jù)影響平衡移動的因素進(jìn)行分析氨氣轉(zhuǎn)化率的變化情況；

(3)①根據(jù)蓋斯定律進(jìn)行計算；

②前半段B反應(yīng)為主導(dǎo)因素，溫度升高，促進(jìn)B反應(yīng)向正向移動，后半段A反應(yīng)為主導(dǎo)因素，A反應(yīng)向逆向移動，據(jù)此進(jìn)行分析。

(1)合成氨雖然為放熱反應(yīng)，但是溫度太低反應(yīng)太慢，單位時間內(nèi)的轉(zhuǎn)化率低；該反應(yīng)為氣體減小的反應(yīng)，壓強(qiáng)太低轉(zhuǎn)化率下降，而壓強(qiáng)太高對設(shè)備要求較高，所以選用500℃壓強(qiáng)20~50MPa的條件；

(2)起始投料為2mol NH3與2.75molO2，平衡時NH3轉(zhuǎn)化率為50%，則平衡時△n(NH3)=1mol，根據(jù)反應(yīng)方程式可知△n(O2)=1.25mol、△n(NO)=1mol、△n(H2O)=1.5mol，則平衡時各位的物質(zhì)的量為n(NH3)=(2-1)mol， n(O2)=(2.75-1.25)mol、n(NO)=1mol、n(H2O)=1.5mol，容器的體積為2L，則NH3、 O2、NO、H2O的濃度分別為0.5mol/L、0.75mol/L、0.5mol/L、0.75mol/L，平衡常數(shù)K==0.75；

溫度不變平衡常數(shù)不變，所以保持溫度不變，增大壓強(qiáng)，則平衡常數(shù)不變；

A．降低氨氣濃度，相當(dāng)于增大氧氣的濃度，氨氣的轉(zhuǎn)化率增大，故A符合題意；

B．增大容器體積壓強(qiáng)減小，該反應(yīng)為氣體系數(shù)之和增大的反應(yīng)，所以平衡會正向移動，氨氣的轉(zhuǎn)化率增大，故B符合題意；

C．該反應(yīng)焓變未知，無法判斷溫度對平衡的影響，故C不符合題意；

D．移除水蒸氣可以使平衡正向移動，氨氣的轉(zhuǎn)化率增大，故D符合題意；

E．催化劑只改變反應(yīng)速率，不改變反應(yīng)的平衡，氨氣的轉(zhuǎn)化率不變，故E不符合題意；

綜上所述選ABD；

(3)①已知A．2NH3(g)+CO2(g)NH2COONH4(l)ΔH=-123kJ/mol

B．NH2COONH4(l)(NH2)2CO(g)+H2O(g)ΔH= +50kJ/mol

根據(jù)蓋斯定律A+B可得2NH3(g)+CO2(g)(NH2)2CO(g) +H2O(g) ΔH=-123kJ/mol+50kJ/mol=-73kJ/mol；

②a值越大，NH3占反應(yīng)物比例高，平衡向正向移動提高了CO2轉(zhuǎn)化率；前半段B反應(yīng)為主導(dǎo)因素，溫度升高，促進(jìn)B反應(yīng)向正向移動，后半段A反應(yīng)為主導(dǎo)因素，A反應(yīng)向逆向移動，所以CO2平衡轉(zhuǎn)化率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。