Question

【題目】氨氣是一種重要的化工原料，在工農業中都有廣泛的應用。

(1)NH3和CO2在120℃和催化劑的作用下可以合成尿素，反應方程式為2NH3(g)+CO2(g)CO(NH2)2(s)+H2O(g)。某實驗小組向一個容積不變的真空密閉容器中充入CO2與NH3合成尿素，在恒定溫度下，混合氣體中NH3的體積分數隨時間的變化關系如圖所示(該條件下尿素為固體)。A點的正反應速率v正(CO2)___ (填“大于”“小于”或“等于”)B點的逆反應速率v逆(CO2)，NH3的平衡轉化率為__。

(2)氨基甲酸銨(NH2COONH4)是合成尿素過程的中間產物，現 將體積比為2∶1的NH3和CO2混合氣體充入一個容積不變的真空密閉容器中，在恒定溫度下使其發生反應并達到平衡：2NH3(g)+CO2(g)NH2COONH4(s)。實驗測得在不同溫度下的平衡數據如下表：

溫度(℃)	15.0	20.0	25.0	30.0	35.0
平衡氣體總濃度 (10-3mol·L-1)	2.4	3.4	4.8	6.8	9.6

①上述反應的焓變：ΔH__0，熵變ΔS__0(填“>”“<”或“=”)。

②下列說法能說明上述反應建立化學平衡狀態的是_______。

A.混合氣體的平均相對分子質量不再發生變化

B.混合氣體中NH3與CO2的濃度之比不再發生變化

C.混合氣體的密度不再發生變化 D.v正(NH3)=2v逆(CO2)

③根據表中數據，列出25.0℃時該反應的化學平衡常數的計算式K=_____(不要求計算結果)，該反應溫度每升高10℃，化學平衡常數就變為原來的______倍。

Answer 1

【答案】大于 75% < < C、D

【解析】

(1)圖象分析氨氣的體積分數從50%變化為20%后體積分數保持不變，說明B點反應達到平衡狀態，A點氨氣體積百分含量大于B的氨氣體積百分含量，說明反應正向進行達到平衡狀態，A點的正反應速率大于B點的正反應速率；依據氨氣的體積分數結合平衡三段式列式計算平衡轉化率；

(2)①根據表中的數據溫度越高，則平衡氣體的總濃度越大，所以升高溫度，平衡逆向移動，正反應反應是放熱反應；反應物是氣體，產物是固體，該反應是熵減小的過程；

②反應2NH3(g)+CO2(g)NH2COONH4(s)達到平衡狀態的判斷要緊扣平衡狀態的特征，同一反應物或生成物表示的正、逆反應速率相等或反應體系各物質的量不再隨時間變化而變化；此反應的特征時生成物為固體，從反應物開始進行時反應物的變化量與起始量的比值相等，始終保持不變，另外混合氣體的組分也始終保持不變，即混合氣體的平均相對分子質量操持不變，無法確定是否是平衡狀態；

③根據平衡三段式計算各物質的平衡濃度，再根據平衡常數等于生成物的濃度冪之積除以反應物的濃度冪之積進行列式；結合表格判斷每升高10℃判斷平衡常數的變化規律。

(1)氨氣的體積分數從50%變化為20%后體積分數保持不變，說明B點反應達到平衡狀態，A點氨氣體積百分含量大于B的氨氣體積百分含量，說明反應正向進行達到平衡狀態，A點的正反應速率大于B點的正反應速率，故v正(CO2)＞v逆(CO2)；

設氨氣消耗物質的量x，開始氨氣體積分數為50%，假設氨氣為50mol，二氧化碳為50mol，

CO2 + 2NH3(NH2)2CO+H2O

起始量(mol) 50 50 0 0

變化量(mol) 0.5x x 0.5x 0.5x

平衡量(mol) 50-0.5x 50-x 0.5x 0.5x

氨氣的體積分數==20%；解得x=37.5mol；氨氣的平衡轉化率=×100%=75%；

(2)①根據表中的數據溫度越高，則平衡氣體的總濃度越大，所以升高溫度，平衡逆向移動，正反應反應是放熱反應，故△H＜0；反應物是氣體，產物是固體，該反應是熵減小的過程，即，△S＜0；

②反應2NH3(g)+CO2(g)NH2COONH4(s)中，開始加入的NH3與CO2物質的量之比為2：1，而反應消耗的NH3與CO2物質的量之比也是2：1，因此反應的任意時刻二者物質的量之比是2：1，因此濃度之比2：1不能作為平衡的標志．由于NH2COONH4為固體，氣體只有NH3和CO2，并且無論是否平衡，二者的物質的量之比不變，則平均相對分子質量不變，所以平均相對分子質量不能作為平衡的標志；隨反應的進行，氣體質量減小，達到平衡時，質量不再發生變化，反應過程容器體積不變，因此密度可作為平衡的標志，因此C、D符合題意；故答案為：C、D；

③反應NH2COONH4(s)2NH3(g)+CO2(g)，設二氧化碳濃度的變化量x，

2NH3(g)+CO2(g)NH2COONH4(s)

初始濃度 0 0

變化濃度：2x x

平衡濃度：2x x

則3x=4.8×10-3mol/L，即x=1.6×10-3mol/L，2x=3.2×10-3mol/L，K==；

根據表中數據分析，反應每升高10℃，平衡時氣體的總濃度就變為原來的2倍，化學平衡常數就變為原來的倍。