Question

16．化学反应原理在科研和生产中有广泛应用．
Ⅰ．氮元素在海洋中的循环，是整个海洋生态系统的基础和关键．海洋中无机氮的循环过程可用图1表示．

（1）海洋中的氮循环起始于氮的固定，其中属于固氮作用的一步是②（填图中数字序号）．
（2）有氧时，在硝化细菌作用下，NH₄⁺可实现过程④的转化，将过程④的离子方程式补充完整：4NH₄⁺+5O₂═2NO₂^-+6H⁺+1N₂O+5H₂O
Ⅱ．工业合成氨原理是：N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H＜0，当反应器中按n（N₂）：n（H₂）=1：3投料，分别在200℃、400℃、600℃下达到平衡时，混合物中NH₃的物质的量分数随压强的变化曲线如图2．
（1）曲线a对应的温度是200℃．
（2）关于工业合成氨的反应，下列叙述正确的是ABD．
A．及时分离出NH₃可以提高H₂的平衡转化率
B．上图中M、N、Q点平衡常数K的大小关系是K（M）=K（Q）＞K（N）
C．M点比N点的反应速率快
D．如果N点时c（NH₃）=0.2mol•L^-1，N点的化学平衡常数K≈0.93L²/mol²
Ⅲ．尿素[CO（NH₂）₂]是一种非常重要的高效氮肥，工业上以NH₃、CO₂为原料生产尿素，该反应实际为两步反应：
第一步：2NH₃（g）+CO₂（g）═H₂NCOONH₄（s）△H=-272kJ•mol^-1
第二步：H₂NCOONH₄（s）═CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g）△H=+138kJ•mol^-1
（1）写出工业上以NH₃、CO₂为原料合成尿素的热化学方程式：2NH₃（g）+CO₂（g）?H₂O（g）+CO（NH₂）₂ （s）△H=-134kJ/mol
（2）某实验小组模拟工业上合成尿素的条件，在一体积为0.5L密闭容器中投入4mol氨和1mol二氧化碳，实验测得反应中各组分的物质的量随时间的变化如图3所示：

已知总反应的快慢由慢的一步决定，则合成尿素总反应的快慢由第2步反应决定，总反应进行到55min时到达平衡．
（3）电解尿素[CO（NH₂）₂]的碱性溶液制纯净氢气的过程中同时产生氮气．电解时，阳极的电极反应式为CO（NH₂）₂+8OH^--6e^-=CO₃^2-+N₂↑+6H₂O．

Answer 1

分析 Ⅰ．（1）氮的固定作用是指游离态氮元素发生反应生成化合态氮元素的过程为固氮作用，即单质变化为化合物；
（2）有氧时，在硝化细菌作用下，NH₄⁺可实现过程④的转化，生成N₂O、NO₂^-、H⁺和水，结合电荷守恒和原子守恒配平书写离子方程式得到；
Ⅱ．（1）正反应是放热反应，升高温度平衡逆向移动，氨气的含量减小；
（2）A．减小生成物浓度平衡正向移动；
B．K只受温度影响，温度不变平衡常数不变，正反应为放热反应，升高温度平衡逆向移动，平衡常数减小；
C．温度越高反应速率越快；
D．计算平衡时各组分浓度，代入K=$\frac{{c}^{2}（N{H}_{3}）}{c（{N}_{2}）{c}^{3}（{H}_{2}）}$计算平衡常数；
Ⅲ．（1）已知：①2NH₃（g）+CO₂（g）═H₂NCOONH₄（s）△H=-272kJ•mol^-1；
②H₂NCOONH₄（s）═CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g）△H=+138kJ•mol^-1；
根据盖斯定律，①+②可得：2NH₃（g）+CO₂（g）?H₂O（g）+CO（NH₂）₂ （s）；
（2）已知总反应的快慢由慢的一步决定，反应快慢可以依据第一步和第二步反应的曲线斜率比较大小；
（3）电解尿素[CO（NH₂）₂]的碱性溶液制纯净氢气的过程中同时产生氮气，电解时，阳极上发生氧化反应得到氧化产物，即为氮气，据此书写电极反应式．

解答 解：Ⅰ．（1）氮的固定作用是指游离态氮元素发生反应生成化合态氮元素的过程为固氮作用，即单质变化为化合物，分析转化关系图可知只有反应②是氮气保护为铵根离子是固氮作用，
故答案为：②；
（2）有氧时，在硝化细菌作用下，NH₄⁺可实现过程④的转化，生成N₂O、NO₂^-、H⁺和水，氮元素化合价-3价变化为+1价和+3价，氧元素化合价0价变化为-2价，电子转移总数20e^-，所以铵根离子前为4，氧气前为5，NO₂^-前为2，N₂O前为1，结合电荷守恒得到氢离子前为6，水分子式前为5，配平得到离子方程式为：4NH₄⁺+5O₂═2NO₂^-+6H⁺+N₂O+5H₂O，
故答案为：4，6，1N₂O，5H₂O；
Ⅱ．（1）合成氨的反应为放热反应，反应温度越高，越不利于反应正向进行，曲线a的氨气的物质的量分数最高，其反应温度对应相对最低，所以a曲线对应温度为200°C；
故答案为：200℃；
（2）A．及时分离出NH₃，可以使平衡正向进行，可以提高H₂的平衡转化率，故A正确；
B．平衡常数与温度有关，与其他条件无关，温度相同时平衡常数相同，反应是放热反应，温度越高平衡常数越小，则M、N、Q点平衡常数K的大小关系是K（M）=K（Q）＞K（N），故B正确；
C．N点温度高于M点，温度越低反应速率越快，故N点比M点的反应速率快，故C错误；
D．N点时c（NH₃）=0.2mol•L^-1，氨气体积分数为20%，则：
                  N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）
起始浓度（mol/L）：x       3x       0
变化浓度（mol/L）：0.1     0.3     0.2
平衡浓度（mol/L）：x-0.1   3x-0.3   0.2
所以$\frac{0.2}{4x-0.2}$=20%，解得x=0.3，平衡常数K=$\frac{{c}^{2}（N{H}_{3}）}{c（{N}_{2}）{c}^{3}（{H}_{2}）}$=$\frac{0．{2}^{2}}{0.2×0．{6}^{3}}$≈0.93L²/mol²，故D正确；
故答案为：ABD；
Ⅲ．（1）已知：①2NH₃（g）+CO₂（g）═H₂NCOONH₄（s）△H=-272kJ•mol^-1；
②H₂NCOONH₄（s）═CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g）△H=+138kJ•mol^-1；
根据盖斯定律，①+②可得：2NH₃（g）+CO₂（g）?H₂O（g）+CO（NH₂）₂ （s）△H=-134kJ/mol，
故答案为：2NH₃（g）+CO₂（g）?H₂O（g）+CO（NH₂）₂ （s）△H=-134kJ/mol；
（2）①由图象可知在15分钟左右，氨气和二氧化碳反应生成氨基甲酸铵后不再变化发生的是第一步反应，氨基甲酸铵先增大再减小最后达到平衡，发生的是第二步反应，从曲线斜率不难看出第2步反应速率慢，所以合成尿素总反应的快慢由第2步反应决定，根据图可知，尿素在55分钟时，物质的量不再变化，即反应达到平衡，所以总反应进行到55min时到达平衡，
故答案为：2；55；
（3）电解尿素[CO（NH₂）₂]的碱性溶液制纯净氢气的过程中同时产生氮气，电解时，阳极上发生氧化反应得到氧化产物，即为氮气，电极反应式为CO（NH₂）₂+8OH^--6e^-=CO₃^2-+N₂↑+6H₂O，
故答案为：CO（NH₂）₂+8OH^--6e^-=CO₃^2-+N₂↑+6H₂O．

点评 本题考查化学平衡计算与影响因素、化学平衡图象、热化学方程式的书写、盐类水解等，试题知识点较多、综合性较强，充分考查了学生的分析、理解能力及化学计算能力，题目难度中等．