Question

氨、尿素[CO(NH₂)₂]都是氮的重要化合物，在工农业生产中应用广泛。

（1）已知：N₂(g)＋3H₂(g)2NH₃(g)ΔH＝－92kJ·mol^-1

①取1molN₂(g)和3molH₂(g)放在一密闭容器中，在催化剂存在时进行反应，测得反应放出的热量____92.2kJ(填“＞”、“＝”或“＜”)，原因是_______________。

②使用催化剂，该反应△H_____(填“变大”“变小”或“不变”)。

③已知：分别破坏1molN≡N键、1molH－H键需要吸收的能量为：946kJ、436kJ，则破坏1molN－H键需要吸收的能量为_____。

④当容积一定时，能判断该反应是否达到化学平衡状态的依据是_______________

a．容器中总压强不变    b．混合气体中c（CO）不变     c．v正（H₂）=v逆（N₂） 

d．c（H₂）=c（NH₃）     e. 混合气体密度不再变化       f.颜色不再变化

g. 混合气体平均相对分子质量不再变化

（2）以CO₂与NH₃为原料可合成化肥尿素[CO(NH₂)₂]。已知：

Ⅰ.2NH₃(g)+CO₂(g)==NH₂CO₂NH₄(s)△H＝﹣159.5kJ/mol

Ⅱ.NH₂CO₂NH₄(s)==CO(NH₂)₂(s)+H₂O(g)△H＝+116.5kJ/mol

Ⅲ.H₂O(l)==H₂O(g)△H＝+44.0kJ/mol

①写出CO₂与NH₃合成尿素和液态水的热化学反应方程式_______________________。

②化学家正在研究尿素动力燃料电池。用这种电池直接去除城市废水中的尿素，既能产生净化的水，又能发电，尿素燃料电池结构如图所示,回答下列问题：

电池中的负极为_____(填“甲”或“乙”)，乙的电极反应式为_____________，电池工作时，理论上每净化1mol尿素，消耗O₂的体积(标准状况下)约为_____L。

Answer

< 由于为可逆反应，反应物无法全部转化，1molN2和3molH2充分参与反应也不可能生成2molNH3，故放出的热量小于92kJ 不变 391 kJ a和g 2NH3(g)+CO2(g) == CO(NH2)2(s)+H2O(l) △H＝﹣87.0kJ/mol 甲 O2+4e-+4H+=2H2O 33.6

【解析】

(1)①合成氨反应为可逆反应，不可能进行到底，故在实际生产中1 mol N2和3 mol H2不可能生成2 mol NH3，放出的热量也必定小于92 kJ；
②催化剂改变反应速率不改变化学平衡及△H；
③△H=反应物的键能之和-生成物的键能之和；

④当反应达到平衡状态时，正逆反应速率相等，各物质的浓度、百分含量不变，以及由此衍生的一些量也不发生变化，以此判断；
(2)①根据盖斯定律计算；
②该电池CO(NH2)2在负极失电子生成二氧化碳和氮气，氧气在正极反应生成水，电解质溶液中含氢离子，该反应的总方程式为：2CO(NH2)2+3O2=2CO2+2N2+4H2O，结合2 CO(NH2)2～3O2计算，以此来解答。

(1)①N2(g)+3H2(g)⇌2NH3(g)△H=-92 kJ•mol-1，N2和H2反应生成2 mol NH3时放出的热量为92.2 kJ，是指1 mol氮气和3 mol的氢气完全反应生成2 mol的氨气放出的热量为92.2 kJ，1mol N2和3 molH2放在密闭容器中不可能完全转化为氨气，所以放出热量一定小于92.2 kJ，故答案为：＜；由于该反应是可逆反应，反应物无法全部转化为生成物；
②催化剂改变反应速率不改变化学平衡，反应热不变，故答案为：不变；
③分别破坏1 mol N≡N键、1 mol H-H键需要吸收的能量为：946 kJ、436 kJ，设破坏1 mol N-H键需要吸收的能量为x，根据N2(g)+3H2(g)⇌2NH3(g)△H=-92 kJ•mol-1，焓变=反应物总键能-生成物的总键能，即946 kJ/mol+3×436 kJ/mol-6x=-92.2 kJ/mol，解得x=391 kJ/mol，即破坏1 mol N-H键需要吸收的能量为391 kJ，故答案为：391；

④a．容器容积一定，平衡正向移动时气体的物质的量减小，压强减小，所以容器中总压强不变可以说明反应达到平衡，故a符合；

b．混合气体无CO，所以混合气体中c(CO)不变不能说明反应达到平衡，故b不符合；

c．当反应达到平衡时v正(H2)=v逆(H2)，v逆(H2)=3 v逆(N2)，所以v正(H2)=v逆(N2)时不能说明反应达到平衡，故c不符合；

d．平衡正向移动时c(H2)减小，c(NH3)增大，可能有某一时刻c(H2)=c(NH3)，但不能说明反应达到平衡，故d不符合；

e. 混合气体总体积不变，总质量不变，所以混合气体密度在平衡移动时不会发生变化，故e不符合；

f. 该反应中生成物和反应物均为无色气体，所以不会有颜色变化，故f不符合；

g. 混合气体的总质量不变，但平衡正向移动时混合气体的总物质的量减小，所以混合气体平均相对分子质量增大，当混合气体平均相对分子质量不再变化时说明反应达到平衡，故g符合；

故答案为：a和g

(2)①由Ⅰ.2NH3(g)+CO2(g)=NH2CO2NH4(s) △H=-159.5kJ•mol-1
Ⅱ．NH2CO2NH4(s)=CO(NH2)2(s)+H2O(g)△H=+116.5kJ•mol-1
Ⅲ．H2O(l)=H2O(g)△H=+44.0kJ•mol-1
结合盖斯定律可知，①+②-③得到2NH3(g)+CO2(g)=CO(NH2)2(s)+H2O(l)，其△H=-159.5 kJ⋅mol-1+(+116.5kJ⋅mol-1)-(+44.0kJ⋅mol-1)=-87.0kJ⋅mol-1，则CO2与NH3合成尿素和液态水的热化学反应方程式为2NH3(g)+CO2(g)═CO(NH2)2(s)+H2O(l)△H=-87.0 kJ/mol，故答案为：2NH3(g)+CO2(g)═CO(NH2)2(s)+H2O(l)△H=-87.0 kJ/mol；
②根据图示可知，甲电极上CO(NH2)2反应生成二氧化碳和氮气，N元素化合价升高，失电子，为电源的负极，电解质溶液为酸性，则乙电极为正极，发生还原反应，氧气得电子之后生成水，则其电极反应式为：O2+4e-+4H+=2H2O，该反应的总方程式为2CO(NH2)2+3O2=2CO2+2N2+4H2O，根据关系式2 CO(NH2)2～3O2可知，电池工作时，理论上每净化1mol尿素，消耗O2的体积为1.5 mol×22.4 L/mol=33.6 L，故答案为：甲；O2+4e-+4H+=2H2O；33.6。