Question

尿素是蛋白质代谢的产物，也是重要的化学肥料。工业合成尿素反应如下：

（1）在一个真空恒容密闭容器中充入CO₂和NH₃发生上述反应合成尿素，恒定温度下混合气体中的氨气含量如图所示。

①A点的正反应速率v正(CO₂)_______B点的逆反应速率v逆(CO₂)(填“＞”、“＜”或“＝”)；

氨气的平衡转化率为________________________。

②关于上述反应的平衡状态下列说法正确的是________________

A．分离出少量的尿素，反应物的转化率将增大

B．平衡时再充入一定量NH₃ (g)，CO₂的转化率增大

C．NH₃的转化率始终等于CO₂的转化率

D．加入有效的催化剂能够提高尿素的产率

（2）合成尿素的反应在进行时分为如下两步：

第一步：2NH₃(l)＋CO₂(g)H₂NCOONH₄(l) (氨基甲酸铵) △H₁

第二步：H₂NCOONH₄(l)H₂O(l)＋H₂NCONH₂(l) △H₂

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随时间的变化如下图Ⅰ所示：

①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。

②反应进行到10 min时测得CO₂的物质的量如图所示，则用CO₂表示的第一步反应的速率v(CO₂)＝_________ 。

③第二步反应的平衡常数K随温度的变化如上右图Ⅱ所示，则△H₂ ________0（填“＞”“＜”或“＝”）

④第一步反应的△S ________0（填“＞”、“＜”或，“＝”），在________（填“较高”或“较低”）温度下有利于该反应自发进行。

（3）氨基甲酸铵极易水解成碳酸铵，酸性条件水解更彻底。将氨基甲酸铵粉末逐渐加入1L0.1mol/L的盐酸溶液中直到pH=7(室温下，忽略溶液体积变化)，共用去0.052mol氨基甲酸铵，此时溶液中几乎不含碳元素。此时溶液中c(NH₄⁺)= _____________________；NH₄⁺水解平衡常数值为______________。

Answer

（1）>；75% ；B（2）① 2；55；②0.148 mol/(L·min)；③＞；④＜；较低（3）0.1mol/L (2分) 4×10-9

【解析】

试题分析：（1）氨气的体积分数从50%到20%后体积分数保持不变，说明B点反应达到平衡状态，A点氨气体积百分含量大于B的氨气的体积百分含量，说明反应正向进行达到平衡状态，A点的正反应速率大于B点的正反应速率。设氨气为50摩尔，二氧化碳为50摩尔，氨气消耗的物质的量为x，开始氨气的体积分数为50%，则

起始 50 50 0 0

改变 x 0.5x 0.5x 0.5x

平衡 50-x 50-0.5x 0.5x 0.5x

平衡时氨气的体积分数为20%，所以（50-x）/（50-x+50-0.5x+0.5x）=20%，解x=37.5mol。故氨气的平衡转化率=375/50=75%； A．因为尿素是固体，所以分离出少量的尿素，平衡不移动，反应物的转化率不变。B．平衡时再充入一定量NH3 (g)，平衡正向移动，CO2的转化率增大。C．因为起始加入氨气和二氧化碳时，二者比例为1:1，反应过程中按2:1反应，所以NH3的转化率始终不等于CO2的转化率。D．加入有效的催化剂只能加快反应速率，不影响平衡，不能够提高尿素的产率。所以选B。（2）① 由图像分析在15分钟，氨气和二氧化碳反应生成氨基甲酸铵后不再变化，发生的第一步反应，氨基甲酸按先增大再减小最后达平衡，发生的第二步反应，从曲线斜率看出第二步反应速率慢，所以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二步决定，由图像分析当反应进行到55分钟时，反应到平衡。②反应进行到10分钟时测得二氧化碳的物质的量为0.26摩尔，二氧化碳的浓度变化为（1-0.26）/0.5=1.48mol/L，则用二氧化碳表示的第一步反应的速率=1.48/10=0.148 mol/(L·min)；③第二步反应的平衡常数K随温度的升高增大，说明反应为吸热反应，反应热为正值；④第一步反应是气体减少的反应，熵减小；因为反应为放热，焓变小于0，熵变也小于0，△G=△H-T△S，当△G<0，反应自发进行，所以反应要在较低温度下自发进行。

（3）碳酸铵和盐酸反应后生成氯化铵和水和二氧化碳，由于溶液的pH为7，显中性，所以氢离子与氢氧根离子浓度相等，则根据电荷守恒分析，铵根离子与氯离子浓度也相等，即铵根离子浓度=0.1mol/L；NH4++H2O NH3·H2O+H+，因为加入的氨基甲酸铵为0.052摩尔，则氮元素的物质的量为0.104摩尔，因为铵根离子为0.1摩尔则一水合氨的物质的量为0.104-0.1=0.004mol，浓度为0.004mol/L，因为氢离子浓度为10-7mol/L，则铵根离子水解平衡常数=（0.004×10-7）/0.1=4×10-9。

考点：产物的百分含量随浓度时间的变化曲线 化学平衡图像分析，化学平衡的影响因素