Question

（2011?怀化一模）化学一化学与技术
我国有丰富的天然气资源．以天然气为原料合成尿素的主要流程如图所示（图中某些转化步骤及生成物未列出）

请填写下列空白：
（1）合成尿素的反应分二步，请写出该反应的化学方程式
①

2NH₃+CO₂

加温、加压  .

NH₂COONH₄

；
②

NH₂COONH₄

加热  .

CO（NH₂）₂+H₂O

．
（2）依据流程圈，判断下列说法正确的是

C

．
A．在转化CO的过程中使用催化剂，可以提高CO的转化率
B．进入分离二氧化碳装置的气体有2种
C．N₂、H₂的循环使用，提高了原子的利用率
D．二氧化碳与氨合成尿素属于人工固氮
E．流程中的原料有3种取之不尽，用之不完
（3）合成氨选择的外界条件是：催化剂，20～50MPa的压强，500℃的温度．选择该温度的主要原因是

500℃的温度反应速率较快，催化剂活性最高

．
（4）已知制造合成气的反应为CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g），该反应的平衡常数表达式为K=

c(CO)?c3(H2)

c(CH4)?c(H2O)

．降低温度K减小，则正反应是一个

吸

热反应．当造合成气的反应中甲烷的转化率为75%．合成氨中氢气的转化率为40%（其他过程的损失不计）以5.60xlO⁷L甲烷为原料能够合成

4.48xlO⁷L

L氨气．（假设体积均在标准状况下测定）

Answer 1

分析：（1）在高温高压条件下，NH₃与CO₂反应生成NH₂COONH₄，NH₂COONH₄加热分解生成CO（NH₂）₂与H₂O．
（2）A．催化剂不影响平衡移动．
B．由工艺流程可知，进入分离二氧化碳装置的气体有H₂O、CH₄、H₂、CO₂等．
C．N₂、H₂的循环使用，提高了原子的利用率．
D．由游离态的氮元素转化为化合态，称为固氮．
E．天然气是化石能源，属于不可再生资源，．
（3）500℃的温度反应速率较快，催化剂活性最高．
（4）平衡常数指产物浓度系数次幂的乘积与反应物浓度系数次幂的乘积的比值．
降低温度，平衡常数K减小，平衡向逆反应进行，降低温度平衡向放热反应方向移动．
根据关系式CH₄～CO～3H₂计算造合成气的反应中生成的CO、H₂的体积，根据关系式 CO～H₂计算分离二氧化碳过程生成的H₂体积，两部分氢气体积为生成氢气的总体积，再根据 3H₂～2NH₃计算生成氨气的体积．

解答：解：（1）在高温高压条件下，NH₃与CO₂反应生成NH₂COONH₄，NH₂COONH₄加热分解生成CO（NH₂）₂与H₂O．
反应方程式为①2NH₃+CO₂

加温、加压  .

NH₂COONH₄，②NH₂COONH₄

加热  .

CO（NH₂）₂+H₂O．
故答案为：①2NH₃+CO₂

加温、加压  .

NH₂COONH₄，②NH₂COONH₄

加热  .

CO（NH₂）₂+H₂O．
（2）A．使用催化剂加快反应速率，缩短到达平衡时间，催化剂不影响平衡移动，CO的转化率不变，故A错误；
B．由工艺流程可知，进入分离二氧化碳装置的气体有H₂O、CH₄、H₂、CO₂等，故B错误；
C．N₂、H₂的循环使用，充分利用氮元素、氢元素，提高了原子的利用率，故C正确；
D．氨中的氮元素属于化合态，二氧化碳与氨合成尿素，不是游离态的氮元素转化为化合态，不属于人工固氮，故D错误；
E．天然气是化石能源，属于不可再生资源，故E错误．
故选：C．
（3）合成氨反应是放热反应，虽然温度越高对反应有抑制作用，但是在500度时催化剂的活性最大，反应速率也很快．综合考虑工业生产选择500度的高温．
故答案为：500℃的温度反应速率较快，催化剂活性最高．
（4）平衡常数指产物浓度系数次幂的乘积与反应物浓度系数次幂的乘积的比值．所以反应CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）的平衡常数k=

c(CO)?c3(H2)

c(CH4)?c(H2O)

．
降低温度，平衡常数K减小，平衡向逆反应进行，降低温度平衡向放热反应方向移动，故该反应正反应为吸热反应．
根据关系式计算造合成气的反应中生成的CO、H₂的体积：
合成气的反应中：CH₄～～～～～～～～～CO～～～～～～～～～～3H₂，
         5.60xlO⁷L×0.75      5.60xlO⁷L×0.75    5.60xlO⁷L×0.75×3
分离二氧化碳过程生成的H₂体积：CO～～～～～～～～～～H₂，
                             5.60xlO⁷L×0.75       5.60xlO⁷L×0.75    
所以产生的氢气的总体积为5.60xlO⁷L×0.75×3+5.60xlO⁷L×0.75=5.60xlO⁷L×0.75×4
令产生氨气的体积为V，则：
       3H₂～～～～～～～～～2NH₃
       3                    2
5.60xlO⁷L×0.75×4×40%      V
解得，V=5.60xlO⁷L×0.75×4×40%×

2

3

=4.48xlO⁷L
故答案为：

c(CO)?c3(H2)

c(CH4)?c(H2O)

；吸；4.48xlO⁷L．

点评：考查学生对工艺流程的理解、化学平衡移动及平衡常数与计算、合成氨条件的选择等，难度中等，关键是掌握整个制备流程原理，要求学生要有扎实的基础知识和灵活应用知识解决问题的能力．（4）中计算为易错点，容易忽略分离二氧化碳过程生成的H₂体积．