Question

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下图表示。

（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     （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：________NH₄⁺ + 5O₂ == 2NO₂^- + ________H⁺ +__________+__________

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。

（1）曲线a对应的温度是             。

（2）关于工业合成氨的反应，下列叙述正确的是                  。

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)   ΔH=－272kJ·mol^－1

第二步：H₂NCOONH₄(s)===CO(NH₂)₂(s)＋H₂O(g)   ΔH=＋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：_________________________

（2）某实验小组模拟工业上合成尿素的条件，在一体积为0.5 L密闭容器中投入4 mol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下图所示：

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_________步反应决定，总反应进行到_________min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______________________。

Answer

Ⅰ．（1）②；（2）4NH4++5O2=2NO2-+6H++N2O+5H2O；Ⅱ．（1）200℃（2）ABD

Ⅲ．（1）2NH3(g)＋CO2(g)H2O(g)＋CO(NH2)2(s)ΔH=－134kJ/mol（2）2、55（3）CO(NH2)2＋8OH－－6e－＝CO32－＋N2↑＋6H2O

【解析】

试题分析：Ⅰ．（1）氮的固定是指游离态的氮转变为化合态的氮的过程，即单质转变为化合物，由图中转化关系可知，其中属于固氮作用的一步是②；

（2）有氧时，在硝化细菌作用下，NH4+可实现过程④的转化，NH4+转化为NO2-、N2O、H+和H2O，根据得失电子守恒配平方程式为4NH4++5O2=2NO2-+6H++N2O+5H2O；

Ⅱ．（1）合成氨的反应是放热反应，温度越高，越不利于生成氨气，曲线a的氨气的物质的量分数最大，则应为200℃；

（2）A．及时分离出NH3，平衡正向移动，可以提高H2的平衡转化率，A正确；B．温度不变，平衡常数不变，该反应为放热反应，温度升高，反应逆向移动，平衡常数减小，则上图中M、N、Q点平衡常数K的大小关系是K(M)=K(Q)＞K(N)，B正确；C．温度升高，反应速率增大，则M点比N点的反应速率慢，C错误；D．如果N点时c(NH3)＝0.2mol·L－1，氨气的物质的量分数是20%， 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

则0.2/（4x-0.2）=20%，x=0.3，平衡常数为0.22/（0.2×0.63）≈0.93L2/mol2。

Ⅲ．（1）①2NH3(g)＋CO2(g)===H2NCOONH4(s)ΔH=－272kJ·mol－1；

②H2NCOONH4(s)===CO(NH2)2(s)＋H2O(g)ΔH=＋138kJ·mol－1；根据盖斯定律①+②得，以NH3、CO2为原料合成尿素的热化学方程式为2NH3(g)＋CO2(g)H2O(g)＋CO(NH2)2(s)ΔH=－134kJ/mol；

（2）由图像可知在15min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，氨基甲酸铵先增大后减小最后达到平衡，发生的是第二步反应，由曲线斜率可知第二步反应较慢，则合成尿素总反应的快慢由第二步反应决定，由图可知55分钟时达到平衡；

（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，阳极发生氧化反应，则生成氮气，电极反应式为CO(NH2)2＋8OH－－6e－＝CO32－＋N2↑＋6H2O。

考点：化学平衡的计算及影响因素，热化学方程式，电极方程式的书写