Question

化学反应原理在科研和生产中有广泛应用．

Ⅰ．氮元素在海洋中的循环，是整个海洋生态系统的基础和关键。海洋中无机氮的循环过程可用下图表示。

（1）海洋中的氮循环起始于氮的固定，其中属于固氮作用的一步是     （填图中数字序号）。

（2）有氧时，在硝化细菌作用下，NH₄⁺可实现过程④的转化，将过程④的离子方程式补充完整：________NH₄⁺ + 5O₂ == 2NO₂^- + ________H⁺ +__________+__________

Ⅱ．工业合成氨原理是：N₂(g)+3H₂(g)2NH₃(g) △H<0，当反应器中按n(N₂)：n(H₂)=1：3投料，分别在200℃、400℃、600℃下达到平衡时，混合物中NH₃的物质的量分数随压强的变化曲线如图。

（1）曲线a对应的温度是             。

（2）关于工业合成氨的反应，下列叙述正确的是                  。

A．及时分离出NH₃可以提高H₂的平衡转化率

B．上图中M、N、Q点平衡常数K的大小关系是K(M)=K(Q)＞K(N)

C．M点比N点的反应速率快

D．由曲线a可知，当压强增加到100 MPa以上，NH₃的物质的量分数可达到100%

（3）如果N点时c(NH₃)＝0.2mol·L^－1，N点的化学平衡常数K＝          L²/mol² (精确到小数点后两位)

Ⅲ．尿素[CO(NH₂)₂]是一种非常重要的高效氮肥，工业上以NH₃、CO₂为原料生产尿素，该反应实际为两步反应：

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

（1）写出工业上以NH₃、CO₂为原料合成尿素的热化学方程式：_________________________

（2）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的密闭容器中投入4 mol氨和1mol二氧化碳，实验测得反应中各组分的物质的量随时间的变化如下图所示：

①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)＝                mol/(L·min)。

②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。

Answer

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

Ⅱ．（1）200℃ （2）AB （3）0.93

Ⅲ．（1）2NH3(g)＋CO2(g)H2O(g)＋CO(NH2)2 (s) ΔH=－134kJ/mol)（2）①0.148 ② 二 ； 55

【解析】

试题分析：Ⅰ．（1）氮的固定作用是指游离态氮元素发生反应生成化合态氮元素的过程为固氮作用，由转化关系图可知只有反应②是固氮作用；

（2）有氧时，在硝化细菌作用下，NH4+可实现过程④的转化，生成N2O、NO2-、H+和水，氮元素化合价-3价变化为+1价和+3价，氧元素化合价0价变化为-2价，根据得失电子守恒配平得到离子方程式为4NH4+ + 5O2 = 2NO2- + 6H+ + N2O + 5H2O ；

Ⅱ．（1）（1）该反应为放热反应，温度升高，反应逆向进行，氨气的物质的量分数降低，曲线a的氨气的物质的量分数最高，所以反应温度最低，所以a曲线对应温度为200°C；

（2）A．及时分离出NH3，平衡正向进行，可以提高H2的平衡转化率，A正确；B．温度不变，平衡常数不变，该反应为放热反应，温度越高，平衡常数越小，则M、N、Q点平衡常数K的大小关系是K（M）=K（Q）＞K（N），B正确；C．N点温度高于M点，温度越低反应速率越快，所以N点比M点的反应速率快，C错误；D．该反应为可逆反应，反应不能进行到底，当压强增加到100 MPa以上，NH3的物质的量分数接近达到100%，D错误； 答案选AB；

（3）N点时c（NH3）=0.2mol•L-1，氨气物质的量分数为20%，则：

N2（g）+3H2（g）⇌2NH3（g）

起始浓度（mol/L）：x 3x 0

变化浓度（mol/L）：0.1 0.3 0.2

平衡浓度（mol/L）：x-0.1 3x-0.3 0.2

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

Ⅲ．（1）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

根据盖斯定律①+②得2NH3(g)＋CO2(g)H2O(g)＋CO(NH2)2 (s) ΔH=－134kJ/mol；

（2）①由图可知反应进行到10 min时测得CO2的物质的量由1mol变为0.26mol，则用CO2表示的第一步反应的速率v(CO2)＝（0.74/0.5）÷10=0.148mol/(L·min)；

②由图象可知在15分钟左右，第一步反应的氨气和二氧化碳反应生成氨基甲酸铵后不再变化，第二步反应的氨基甲酸铵先增大再减小最后达到平衡，从曲线斜率可知第二步反应速率慢，所以合成尿素总反应的快慢由第二步反应决定，由图可知，尿素在55分钟时，物质的量不再变化，所以总反应进行到55min时到达平衡。

考点：平衡移动的影响因素，热化学方程式