Question

3．尿素是蛋白質(zhì)代謝的產(chǎn)物，也是重要的化學(xué)肥料．工業(yè)合成尿素反應(yīng)如下：
2NH₃（g）+CO₂（g）═CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g）
（1）在一個真空恒容密閉容器中充入CO₂和NH₃發(fā)生上述反應(yīng)合成尿素，恒定溫度下混合氣體中的氨氣含量如圖1所示．

A點的正反應(yīng)速率v正（CO₂）＞B點的逆反應(yīng)速率v逆（CO₂）（填“＞”、“＜”或“=”）；氨氣的平衡轉(zhuǎn)化率為75%．
（2）氨基甲酸銨是合成尿素的一種中間產(chǎn)物．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(fā)生下列反應(yīng)并達(dá)到平衡：2NH₃（g）+CO₂（g）═NH₂COONH₄（s）將實驗測得的不同溫度下的平衡數(shù)據(jù)列于表：

溫度（℃）	15.0	20.0	25.0	30.0	35.0
平衡氣體總濃度 （10-3mol/L）	2.4	3.4	4.8	6.8	9.4

①關(guān)于上述反應(yīng)的焓變、熵變說法正確的是A．
A．△H＜0，△S＜0            B．△H＞0，△S＜0    C．△H＞0，△S＞0            D．△H＜0，△S＞0
②關(guān)于上述反應(yīng)的平衡狀態(tài)下列說法正確的是C
A．分離出少量的氨基甲酸銨，反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率將增大
B．平衡時降低體系溫度，CO₂的體積分?jǐn)?shù)下降
C．NH₃的轉(zhuǎn)化率始終等于CO₂的轉(zhuǎn)化率
D．加入有效的催化劑能夠提高氨基甲酸銨的產(chǎn)率
③氨基甲酸銨極易水解成碳酸銨，酸性條件水解更徹底．將氨基甲酸銨粉末逐漸加入1L0.1mol/L的鹽酸溶液中直到pH=7（室溫下，忽略溶液體積變化），共用去0.052mol氨基甲酸銨，此時溶液中幾乎不含碳元素．此時溶液中c（NH₄⁺）=0.1mol/L；（填具體數(shù)值）NH₄⁺水解平衡常數(shù)值為4×10^-9．
（3）化學(xué)家正在研究尿素動力燃料電池，尿液也能發(fā)電！用這種電池直接去除城市廢水中的尿素，既能產(chǎn)生凈化的水又能發(fā)電．尿素燃料電池結(jié)構(gòu)如圖2所示，寫出該電池的負(fù)極反應(yīng)式：CO（NH₂）₂+H₂O-6e^-═N₂↑+CO₂↑+6H⁺．

Answer 1

分析 （1）氨氣的體積分?jǐn)?shù)從50%變化為20%后體積分?jǐn)?shù)保持不變，說明B點反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，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(yīng)正向進(jìn)行達(dá)到平衡狀態(tài)；
設(shè)氨氣消耗物質(zhì)的量x，開始氨氣體積分?jǐn)?shù)為50%，假設(shè)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?jǐn)?shù)=$\frac{50-x}{50-0.5x+50-x+0.5x}$=20%，
以此計算轉(zhuǎn)化率；
（2）①根據(jù)表中的數(shù)據(jù)分析：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(yīng)反應(yīng)是放熱反應(yīng)；反應(yīng)物是氣體，產(chǎn)物是固體，該反應(yīng)是熵減小的過程；
②A．因為氨基甲酸銨為固體，分離出少量的氨基甲酸銨，平衡不移動；
B．平衡時降低體系溫度，平衡向放熱方向即正反應(yīng)方向移動，又氨基甲酸銨為固體，所以NH₃和CO₂始終為2：1；
C．因為體積比為2：1的NH₃和CO₂混合氣體充入反應(yīng)，NH₃和CO₂又按照2：1的消耗，所以NH₃的轉(zhuǎn)化率始終等于CO₂的轉(zhuǎn)化率；
D．催化劑只改變速率，不改變平衡移動；
③因為氨基甲酸銨極易水解成碳酸銨，即反應(yīng)式為NH₂COONH₄（s）+H₂O?（NH₄）₂CO₃，加入1L0.1mol/L的鹽酸溶液中直到溶液pH=7并且溶液中幾乎不含碳元素，所以溶液中只有H⁺、NH₄⁺、OH^-、Cl^-，根據(jù)電荷守恒c（NH₄⁺）=c（Cl^-）=0.1mol/L，又用去0.052mol氨基甲酸銨，所以開始溶液中的銨根離子濃度為0.052mol/L×2=0.104mol/L，
            NH₄⁺+H₂O?NH₃•H₂O+H⁺；
開始 0.104mol/L        0         
轉(zhuǎn)化 0.004mol/L   0.004mol/L  
平衡 0.1mol/L     0.004mol/L
又溶液為pH=7，所以氫離子濃度為10^-7mol/L，以此計算NH₄⁺水解平衡常數(shù)K；
（3）尿素燃料電池中尿素在負(fù)極上失去電子生成氮氣、二氧化碳．

解答 解：（1）氨氣的體積分?jǐn)?shù)從50%變化為20%后體積分?jǐn)?shù)保持不變，說明B點反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，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(yīng)正向進(jìn)行達(dá)到平衡狀態(tài)，A點的正反應(yīng)速率大于B點的正反應(yīng)速率，故v_正（CO₂）＞v_逆（CO₂）；
設(shè)氨氣消耗物質(zhì)的量x，開始氨氣體積分?jǐn)?shù)為50%，假設(shè)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?jǐn)?shù)=$\frac{50-x}{50-0.5x+50-x+0.5x}$=20%，
解得x=37.5mol，
氨氣的平衡轉(zhuǎn)化率=$\frac{37.5mol}{50mol}$×100%=75%，
故答案為：＞；75%；
（2）①根據(jù)表中的數(shù)據(jù)分析：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(yīng)反應(yīng)是放熱反應(yīng)，故△H＜0；
反應(yīng)物是氣體，產(chǎn)物是固體，該反應(yīng)是熵減小的過程，即，△S＜0，
故答案為：A；
②A．因為氨基甲酸銨為固體，分離出少量的氨基甲酸銨，平衡不移動，所以反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率不變，故A錯誤；
B．平衡時降低體系溫度，平衡向放熱方向即正反應(yīng)方向移動，又氨基甲酸銨為固體，所以NH₃和CO₂始終為2：1，則CO₂的體積分?jǐn)?shù)不變，故B錯誤；
C．因為體積比為2：1的NH₃和CO₂混合氣體充入反應(yīng)，NH₃和CO₂又按照2：1的消耗，所以NH₃的轉(zhuǎn)化率始終等于CO₂的轉(zhuǎn)化率，故C正確；
D．催化劑只改變速率，不改變平衡移動，所以加入有效的催化劑不能夠提高氨基甲酸銨的產(chǎn)率，故D錯誤；
故答案為：C；
③因為氨基甲酸銨極易水解成碳酸銨，即反應(yīng)式為NH₂COONH₄（s）+H₂O?（NH₄）₂CO₃，加入1L0.1mol/L的鹽酸溶液中直到溶液pH=7并且溶液中幾乎不含碳元素，所以溶液中只有H⁺、NH₄⁺、OH^-、Cl^-，根據(jù)電荷守恒c（NH₄⁺）=c（Cl^-）=0.1mol/L，又用去0.052mol氨基甲酸銨，所以開始溶液中的銨根離子濃度為0.052mol/L×2=0.104mol/L，
         NH₄⁺+H₂O?NH₃•H₂O+H⁺；
開始 0.104mol/L        0         
轉(zhuǎn)化 0.004mol/L   0.004mol/L  
平衡 0.1mol/L     0.004mol/L
又溶液為pH=7，所以氫離子濃度為10^-7mol/L，則NH₄⁺水解平衡常數(shù)K=$\frac{c（N{H}_{3}．{H}_{2}O）c（{H}^{+}）}{c（N{{H}_{4}}^{+}）}$=$\frac{0.004×1{0}^{-7}}{0.1}$=4×10^-9，
故答案為：0.1mol/L；4×10^-9；
（3）尿素燃料電池中尿素在負(fù)極上失去電子生成氮氣、二氧化碳，則負(fù)極反應(yīng)為：CO（NH₂）₂+H₂O-6e^-═N₂↑+CO₂↑+6H⁺，
故答案為：CO（NH₂）₂+H₂O-6e^-═N₂↑+CO₂↑+6H⁺．

點評 本題考查化學(xué)平衡的計算，為高頻考點，把握化學(xué)平衡三段法、轉(zhuǎn)化率計算等為解答的關(guān)鍵，側(cè)重分析與計算能力的考查，注意水解平衡常數(shù)的計算及電極反應(yīng)的書寫為解答的難點，題目難度不大．