Question

【題目】化學反應原理在科研和生產中有廣泛應用．

Ⅰ．氮元素在海洋中的循環，是整個海洋生態系統的基礎和關鍵。海洋中無機氮的循環過程可用下圖表示。

（1）海洋中的氮循環起始于氮的固定，其中屬于固氮作用的一步是 （填圖中數字序號）。

（2）有氧時，在硝化細菌作用下，NH4+可實現過程④的轉化，將過程④的離子方程式補充完整：________NH4+ + 5O2 == 2NO2- + ________H+ +__________+__________。

Ⅱ．工業合成氨原理是：N2（g）+3H2（g）2NH3（g） △H <0，當反應器中按n（N2）：n（H2）=1：3投料，分別在200℃、400℃、600℃下達到平衡時，混合物中NH3的物質的量分數隨壓強的變化曲線如圖。

（3）曲線a對應的溫度是 。

（4）關于工業合成氨的反應，下列敘述正確的是 。

A．及時分離出NH3可以提高H2的平衡轉化率

B．上圖中M、N、Q點平衡常數K的大小關系

是K（M）=K（Q）＞K（N）

C．M點比N點的反應速率快

D．由曲線a可知，當壓強增加到100 MPa以上，NH3的物質的量分數可達到100%

（5）如果N點時c（NH3）＝0.2mol·L－1，N點的化學平衡常數K＝ L2/mol2 （精確到小數點后兩位）。

Ⅲ．尿素是一種非常重要的高效氮肥，工業上以NH3、CO2為原料生產尿素，該反應實際為兩步反應：

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

（6）寫出工業上以NH3、CO2為原料合成尿素的熱化學方程式：_________________________。

（7）某實驗小組模擬工業上合成尿素的條件，在一體積為0.5 L的密閉容器中投入4 mol氨和1mol二氧化碳，實驗測得反應中各組分的物質的量隨時間的變化如下圖所示：

①反應進行到10 min時測得CO2的物質的量如圖所示，則用CO2表示的第一步反應的速率v（CO2）＝

mol/（L·min）。

②已知總反應的快慢由慢的一步決定，則合成尿素總反應的快慢由第_________步反應決定，總反應進行到_________min時到達平衡。

Answer 1

【答案】Ⅰ．（1）②（1分）；（2） 4 NH4+ + 5O2 = 2NO2- + 6 H+ + N2O + 5H2O（2分）；

Ⅱ．（3）200℃ （2分） （4）AB（2分）（5）0.93（2分）

Ⅲ．（6）2NH3（g）＋CO2（g）H2O（g）＋CO（NH2）2 （s） ΔH=－134kJ/mol）（2分）

（7）①0.148 （2分）； ② 二 （1分）； 55 （1分）

【解析】

試題分析：Ⅰ．（1）氮的固定作用是指游離態氮元素發生反應生成化合態氮元素的過程為固氮作用，由轉化關系圖可知只有反應②是固氮作用；

（2）有氧時，在硝化細菌作用下，NH4+可實現過程④的轉化，生成N2O、NO2-、H+和水，氮元素化合價由-3價變化為+1價和+3價，氧元素化合價由0價變化為-2價，根據得失電子守恒配平得到離子方程式為4NH4++5O2＝2NO2-+6H++N2O+5H2O；

Ⅱ．（3）（1）該反應為放熱反應，溫度升高，反應逆向進行，氨氣的物質的量分數降低，曲線a的氨氣的物質的量分數最高，所以反應溫度最低，因此a曲線對應溫度為200°C；

（4）A．及時分離出NH3，降低生成物濃度，平衡正向進行，可以提高H2的平衡轉化率，A正確；B．溫度不變，平衡常數不變，該反應為放熱反應，溫度越高，平衡常數越小，則M、N、Q點平衡常數K的大小關系是K（M）＝K（Q）＞K（N），B正確；C．N點溫度高于M點，溫度越低反應速率越快，所以N點比M點的反應速率快，C錯誤；D．該反應為可逆反應，反應不能進行到底，當壓強增加到100 MPa以上，NH3的物質的量分數接近達到100%，D錯誤；答案選AB；

（5）N點時c（NH3）＝0.2molL-1，氨氣物質的量分數為20%，則：

N2（g）+3H2（g）2NH3（g）

起始濃度（mol/L） x 3x 0

轉化濃度（mol/L） 0.1 0.3 0.2

平衡濃度（mol/L） x-0.1 3x-0.3 0.2

所以0.2/（4x-0.2）＝0.2，解得x＝0.3，則平衡常數K＝c2（NH3）/c3（H2）c（N2）＝0.22/0.63×0.2＝0.93；

Ⅲ．（6）第一步：2NH3（g）＋CO2（g）H2NCOONH4（s） ΔH=－272kJ·mol－1———①

第二步：H2NCOONH4（s）CO（NH2）2（s）＋H2O（g） ΔH=＋138kJ·mol－1———②

根據蓋斯定律①+②得2NH3（g）＋CO2（g）H2O（g）＋CO（NH2）2 （s） ΔH=－134kJ/mol；

（7）①由圖可知反應進行到10 min時測得CO2的物質的量由1mol變為0.26mol，則用CO2表示的第一步反應的速率v（CO2）＝＝0.148mol/（L·min）；

②由圖像可知在15min左右，第一步反應的氨氣和二氧化碳反應生成氨基甲酸銨后不再變化，第二步反應的氨基甲酸銨先增大再減小最后達到平衡，從曲線斜率可知第二步反應速率慢，所以合成尿素總反應的快慢由第二步反應決定，由圖可知，尿素在55分鐘時，物質的量不再變化，所以總反應進行到55min時到達平衡。