Question

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步骤如图所示（图中某些转化步骤及生成物未列出）：

（1）“造合成气”发生的热化学方程式是CH₄（g）+H₂O（g）⇌CO（g）+3H₂（g）；△H＞0
在恒温恒容的条件下，欲提高CH₄的反应速率和转化率，下列措施可行的是    ．
A、增大压强    B、升高温度  C、充入He气    D、增大水蒸气浓度
（2）“转化一氧化碳”发生的方程式是H₂O（g）+CO（g）⇌H₂（g）+CO₂（g），该反应平衡常数随温度的变化如下：

温度/℃	400	500	800
平衡常数K	9.94	9	1

提高氢碳比[n（H₂O）/n（CO）]，K值    （填“增大”、“不变”或“减小”）；若该反应在400℃时进行，起始通入等物质的量的H₂O和CO，反应进行到某一时刻时CO和CO₂的浓度比为1：3，此时v（正）    v（逆）（填“＞”、“=”或“＜”）．
（3）有关合成氨工业的说法中正确的是    ．
A、该反应属于人工固氮
B、合成氨工业中使用催化剂能提高反应物的利用率
C、合成氨反应温度控制在500℃左右，目的是使化学平衡向正反应方向移动
D、合成氨工业采用循环操作的主要原因是为了加快反应速率
（4）生产尿素过程中，理论上n（NH₃）：n（CO₂）的最佳配比为    ，而实际生产过程中，往往使n（NH₃）：n（CO₂）≥3，这是因为    ．
（5）当甲烷合成氨气的转化率为60%时，以3.0×10⁸L甲烷为原料能够合成    L 氨气．（假设体积均在标准状况下测定）

Answer

（1）在恒温恒容的条件下，欲提高CH4的反应速率和转化率，改变条件平衡向正反应方向移动，且反应速率加快，结合外界条件对反应速率、平衡移动影响分析；
（2）平衡常数只受温度影响，与反应物的浓度无关；
令开始H2O和CO的物质的量都是1mol，某一时刻时CO和CO2的浓度比为1：3，计算此时参加反应的CO的物质的量，利用三段式计算此时各组分的浓度，反应气体气体的体积不变，利用物质的量代替浓度计算此时的浓度商Qc，与平衡常数比较判断反应进行分析，据此解答；
（3）A．固氮指由游离态的氮转化为化合态的氮；
B．催化剂加快反应速率，不能影响平衡移动；
C．合成氨反应温度控制在500℃左右，在该温度下反应速率较快、催化剂活性较高；
D．合成氨工业采用循环操作，目的是提高原料的利用率；
（4）根据尿素的化学式，结合C、N原子守恒判断生产尿素过程中，理论上n（NH3）：n（CO2）的最佳配比；
有利于提高CO2的转化率，NH3极易溶于水，便于分离、回收利用；
（5）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．．
【解析】
（1）A、增大压强，反应速率加快，平衡向逆反应方向移动，甲烷的转化率降低，故A错误；
B、升高温度，反应速率加快，平衡向正反应方向移动，甲烷的转化率增大，故B正确；
C、充入He气，反应混合物的浓度不变，反应速率不变，平衡不移动，甲烷的转化率不变，故C错误；
D、增大水蒸气浓度，反应速率加快，平衡向逆反应方向移动，甲烷的转化率增大，故D正确；
故答案为：BD；
（2）平衡常数只受温度影响，与反应物的浓度无关，提高氢碳比[n（H2O）/n（CO）]，K值不变；
令开始H2O和CO的物质的量都是1mol，某一时刻时CO和CO2的浓度比为1：3，设此时参加反应CO为xmol，则（1-x）：x=1：3，解得x=0.75，则：
             H2O（g）+CO（g）⇌H2（g）+CO2（g），
  开始（mol）：1       1        0      0
  变化（mol）：0.75    0.75     0.75   0.75
某时刻（mol）：0.25    0.25     0.75   0.75
故产生浓度商Qc==9＜9.94，反应向正反应进行，故v（正）＞v（逆），
故答案为：不变；＞；
（3）A．固氮指由游离态的氮转化为化合态的氮，合成氨属于人工固氮，故A正确；
B．催化剂加快反应速率，不能影响平衡移动，不能提高反应物的利用率，故B错误；
C．该反应正反应是放热反应，高温不利用氨气的合成，合成氨反应温度控制在500℃左右，在该温度下反应速率较快、催化剂活性较高，故C错误；
D．合成氨工业采用循环操作，目的是提高原料的利用率，故D错误；
故答案为：A；
（4）根据尿素的化学式CO（NH2）2，C、N原子完全利用最后，由C、N原子守恒可知生产尿素过程中，理论上n（NH3）：n（CO2）的最佳配比为2：1；
往往使n（NH3）：n（CO2）≥3，这是由于：有利于提高CO2的转化率，且NH3极易溶于水，便于分离、回收利用；
故答案为：2：1；有利于提高CO2的转化率，且NH3极易溶于水，便于分离、回收利用；
（5）由CH4（g）+H2O（g）⇌CO（g）+3H2（g），N2（g）+3H2（g）⇌2NH3（g），可得CH4（g）～3H2（g）～2NH3（g），设能够合成氨气的体积为VL，则：
   CH4（g）～3H2（g）～2NH3（g），
    1                  2
3.0×108L×60%          VL
故V=3.0×108L×60%×2=3.6×108L
合成气的反应中：CH4～～～～～～～～～CO～～～～～～～～～～3H2，
         3.0×108L×60%     3.0×108L×60%    3.0×108L×60%×3
分离二氧化碳过程生成的H2体积：CO～～～～～～～～～～H2，
                         3.0×108L×60%    3.0×108L×60%    
所以产生的氢气的总体积为3.0×108L×60%×3+3.0×108L×60%=12×108L×60%
令产生氨气的体积为V，则：
       3H2～～～～～～～～～2NH3
       3                    2
       12×108L×60%         V
故V=12×108L×60%×=4.8×108L      
故答案为：4.8×108．