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7.氮及其化合物在生产、生活中有着重要作用.
(1)1909年化学家哈伯在实验室首次合成了氨,2007年化学家格哈德•埃特尔在哈伯研究所证实了N2与H2在固体催化剂表面合成氨的反应过程.示意图如下(分别表示N2、H2、NH3):
图②表示N2、H2被吸附在催化剂表面,图⑤表示生成的NH3离开催化剂表面,则图③表示在催化剂表面N2、H2分子中的化学键断裂,生成N原子和H原子.
(2)NaNO2是一种食品添加剂(有毒性,市场上常误与食盐混淆).酸性KMnO4溶液与NaNO2反应的离子方程式是:MnO4-+NO2-+X→Mn2++NO3-+H2O (未配平).下列有关叙述正确的是b.
a.NaNO2属于硝酸盐          b.生成1mol NaNO3需消耗0.4mol KMnO4
c.反应过程中溶液的pH减小   d.X表示的粒子是OH-
(3)工业生产以NH3和CO2为原料合成尿素[CO(NH2)2],反应的化学方程式为:2NH3(g)+CO2(g)?CO(NH2)2(l)+H2O(l).
①已知该反应平衡常数K195℃<K165℃,则该反应的△H<0(填“>”“=”或“<”).
②T1℃时,在2L的密闭容器中充入NH3和CO2模拟工业生产,若原料气中的NH3和CO2的物质的量之比(氨碳比)$\frac{n(N{H}_{3})}{n(C{O}_{2})}$=x,如图是CO2平衡转化率(α) 与氨碳比(x)的关系.
其它条件不变时,α随着x增大而增大的原因是x增大,相当于c(NH3)增大,CO2转化率增大;图中的B点处NH3的平衡转化率为25%.
③当x=2,上述反应至5min时各物质的浓度不再发生变化,测得体系压强变为开始时的$\frac{2}{3}$.反应结束后,分离得到90g尿素.
计算0~5min内该反应的平均速率υ(CO2)=0.15mol•L-1•min-1,该反应的平衡常数K=0.074,达到平衡后NH3的物质的量浓度为3 mol•L-1.

分析 (1)图②是表示N2、H2被吸附在催化剂的表面,图⑤表示生成的NH3离开催化剂表面,图③则表示在催化剂表面,N2、H2中的化学键断裂;
(2)该反应中锰元素化合价由+7价变为+2价,N元素化合价由+3价变为+5价,结合元素守恒、硝酸钠和高锰酸钾之间的关系式分析解答;
(3)①依据平衡常数随温度变化分析判断反应吸热、放热;
②增大反应物浓度,平衡正向进行,依据x含义和图象数据分析结合化学方程式换算氨气转化率;
③当x=2,原料气中的NH3和CO2的物质的量之比为2,设二氧化碳物质的量为m,氨气物质的量为2m,上述反应至5min时各物质的浓度不再发生变化,反应达到平衡状态,测得体系压强变为开始时的$\frac{2}{3}$,气体压强之比等于气体物质的量之比,反应结束后,分离得到90g尿素,物质的量n(CO(NH2)2)=$\frac{90g}{60g/mol}$=1.5mol,消耗氨气物质的量为3mol,消耗二氧化碳物质的量为1.5mol,利用化学平衡三行计算列式计算,
             2NH3(g)+CO2(g)?CO(NH2)2(l)+H2O(l),
起始量(mol)  2m       m        0              0
变化量(mol)  3        1.5     1.5            1.5
平衡量(mol)  2m-3    m-1.5    1.5            1.5
反应速率V=$\frac{△c}{△t}$,
平衡常数K=$\frac{生成物平衡浓度幂次方乘积}{反应物平衡浓度幂次方乘积}$,
c=$\frac{n}{V}$.

解答 解:(1)分析题中图可以知道,图②表示N2、H2被吸附在催化剂表面,而图③表示在催化剂表面,N2、H2中化学键断裂,
故答案为:在催化剂表面N2、H2分子中的化学键断裂,生成N原子和H原子;
(2)a.该反应中N元素化合价+3价为亚硝酸盐,故a错误;
b.根据转移电子守恒得,生成1molNaNO3需消耗KMnO4的物质的量=$\frac{1mol(5-3)}{7-2}$=0.4mol,故b正确;
c.根据元素守恒、电荷守恒知,K是H+,氢离子参加反应导致溶液中氢离子浓度降低,则溶液的pH增大,故c错误;
d.根据元素守恒、电荷守恒知,□中的粒子是H+,故d错误;
故选b.
(3)①平衡常数随温度升高减小,说明正反应为放热反应,△H<0,故答案为:<;
②2NH3 (g)+CO2 (g)?CO(NH2)2 (l)+H2O (l),图象分析判断,增大氨气浓度平衡正向进行,二氧化碳转化率增大,B点处x=4,原料气中的NH3和CO2的物质的量之比为4,二氧化碳转化率为50%,假设氨气为4mol,二氧化碳为1mol,则反应的二氧化碳为0.5mol,
依据化学方程式2NH3(g)+CO2(g)?CO(NH2)2(l)+H2O(l)反应的氨气为1.0mol,
NH3的平衡转化率=$\frac{1.0mol}{4mol}$×100%=25%,
故答案为:x增大,相当于c(NH3)增大,CO2转化率增大,25%;
③当x=2,原料气中的NH3和CO2的物质的量之比为2,设二氧化碳物质的量为m,氨气物质的量为2m,上述反应至5min时各物质的浓度不再发生变化,反应达到平衡状态,测得体系压强变为开始时的$\frac{2}{3}$,气体压强之比等于气体物质的量之比,反应结束后,分离得到90g尿素,物质的量n(CO(NH2)2)=$\frac{90g}{60g/mol}$=1.5mol,消耗氨气物质的量为3mol,消耗二氧化碳物质的量为1.5mol,利用化学平衡三行计算列式计算,
             2NH3(g)+CO2(g)?CO(NH2)2(l)+H2O(l),
起始量(mol)  2m       m        0              0
变化量(mol)  3        1.5     1.5            1.5
平衡量(mol)  2m-3    m-1.5    1.5            1.5
测得体系压强变为开始时的$\frac{2}{3}$,气体压强之比等于气体物质的量之比,2m-3+m-1.5=$\frac{2}{3}$×(2m+m)
m=4.5mol
二氧化碳反应速率V=$\frac{△c}{△t}$=$\frac{\frac{1.5mol}{2L}}{5min}$=0.15mol/L•min,
平衡时氨气的浓度=$\frac{2×4.5mol-3mol}{2L}$=3mol/L,CO2的浓度=$\frac{4.5mol-1.5mol}{2L}$=1.5mol/L
平衡常数K=$\frac{1}{{3}^{3}×1.5}$=0.074,
达到平衡后NH3的物质的量浓度=$\frac{2×4.5mol-3mol}{2L}$=3mol/L,
故答案为:0.15mol•L-1•min-1,0.074,3 mol•L-1.

点评 本题考查了氧化还原反应、化学反应速率、化学平衡的计算、物质转化率等知识的应用,主要是概念的理解应用,题目难度中等.

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D.溶液中$\frac{c(C{H}_{3}CO{O}^{-})}{c(O{H}^{-})}$减小
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