Question

3．合成氨是人類科學(xué)技術(shù)上的一項重大突破，其反應(yīng)原理為：
N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H=-92.4kJ•mol?¹
一種工業(yè)合成氨的簡易流程圖如圖1：

（1）天然氣中的H₂S雜質(zhì)常用常用氨水吸收，產(chǎn)物為NH₄HS．一定條件下向NH₄HS溶液中通入空氣，得到單質(zhì)硫并使吸收液再生，寫出再生反應(yīng)的化學(xué)方程式：2NH₄HS+O₂=2NH₃•H₂O+2S↓．
（2）步驟II中制氯氣原理如下：
①CH₄（g）+H₂O（g）=CO₂（g）+3H₂（g）△H=+206.4kJ•mol^-1
②CO（g）+H₂O（g）=CO₂（g）+H₂（g）△H=-41.2kJ•mol^-1
對于反應(yīng)①，一定可以提高平衡體系中H₂百分含量，又能加快反應(yīng)速率的是a．
a．升高溫度  b．增大水蒸氣濃度   c．加入催化劑   d．降低壓強
利用反應(yīng)②，將CO進一步轉(zhuǎn)化，可提高H₂產(chǎn)量．若1mol CO和H₂的混合氣體（CO的體積分?jǐn)?shù)為20%）與H₂O反應(yīng)，得到1.18mol CO、CO₂和H₂的混合氣體，則CO轉(zhuǎn)化率為90%．
（3）圖2表示500℃、60.0MPa條件下，原料氣投料比與平衡時NH₃體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系．根據(jù)圖中a點數(shù)據(jù)計算N₂的平衡體積分?jǐn)?shù)：14.5%．
（4）依據(jù)溫度對合成氨反應(yīng)的影響，在圖3坐標(biāo)系中，畫出一定條件下的密閉容器內(nèi)，從通入原料氣開始，隨溫度不斷升高，NH₃物質(zhì)的量變化的曲線示意圖．
（5）上述流程圖中，使合成氨放出的熱量得到充分利用的主要步驟是（填序號）Ⅳ，簡述本流程中提高合成氨原料總轉(zhuǎn)化率的方法：分離液氨，未反應(yīng)的氮氣和氫氣循環(huán)使用．

Answer 1

分析 （1）H₂S雜質(zhì)常用氨水吸收，產(chǎn)物為NH₄HS，一定條件下向NH₄HS溶液中通入空氣，得到單質(zhì)硫并使吸收液再生，反應(yīng)過程中生成一水合氨，依據(jù)原子守恒和電子守恒配平書寫化學(xué)方程式；
（2）根據(jù)影響化學(xué)反應(yīng)速率以及平衡移動的因素結(jié)合三行式進行計算回答；
（3）依據(jù)反應(yīng)特征N₂+3H₂=2NH₃，反應(yīng)前后氣體體積減小為生成氨氣的體積，相同條件下，氣體體積比等于氣體物質(zhì)的量之比，圖象分析可知平衡狀態(tài)氨氣體積含量42%，設(shè)平衡混合氣體體積為 100，氨氣為體積42，計算反應(yīng)的氮氣，依據(jù)氣體體積比計算原混合氣體中氮氣體積，得到平衡狀態(tài)下氮氣體積分?jǐn)?shù)；
（4）合成氨的反應(yīng)是放熱反應(yīng)，開始反應(yīng)，氨氣物質(zhì)的量增大，達到平衡狀態(tài)，繼續(xù)升溫，平衡逆向進行，氨氣物質(zhì)的量減小，據(jù)此畫出變化圖象；
（5）依據(jù)反應(yīng)是氣體體積減小的放熱反應(yīng)，結(jié)合平衡移動原理分析判斷．

解答 解：（1）O₂把NH₄HS氧化為S，可得化學(xué)方程式：2NH₄HS+O₂=2NH₃•H₂O+2S↓，故答案為：2NH₄HS+O₂=2NH₃•H₂O+2S↓；
（2）a、反應(yīng)①為吸熱反應(yīng)，反應(yīng)速率加快，平衡向右移動，H₂的百分含量增大，正確；b、增大水蒸氣濃度，H₂的百分含量減小，錯誤；c、加入催化劑，H₂的百分含量不變，錯誤；d、降低壓強，反應(yīng)速率減小，錯誤；設(shè)CO的轉(zhuǎn)化量為x
              CO+H₂O?CO₂+H₂
轉(zhuǎn)化量（mol）  0.2    0   0.8
轉(zhuǎn)化量（mol）   x     x    x
轉(zhuǎn)化量（mol）  0.2-x  x  0.8+x
1mol+x=1.18mol，則x=0.18mol，可得CO轉(zhuǎn)化率=$\frac{0.18mol}{0.2mol}$×100%=90%．
（3）根據(jù)圖1可知H₂與N₂的投料比為3，平衡時NH₃體積分?jǐn)?shù)為42%，設(shè)H₂物質(zhì)的量為3amol，N₂物質(zhì)的量為amol，N₂轉(zhuǎn)化的物質(zhì)的量為x則
                N₂+3H₂?2NH₃
轉(zhuǎn)化量（mol）   a   3a      0
轉(zhuǎn)化量（mol）   x    3x     2x
轉(zhuǎn)化量（mol）  a-x  3a-3x   2x
$\frac{2x}{4a-2x}$×100%=42%，解得x=0.592a，則N₂的平衡體積分?jǐn)?shù)=$\frac{a-0.592a}{4a-2×0.592a}$×100%=14.5%，故答案為：14.5%；
（4）隨著反應(yīng)的進行，NH₃的物質(zhì)的量逐漸增大，當(dāng)反應(yīng)平衡后，升高溫度，平衡向左移動，NH₃的物質(zhì)的量逐漸減小，可畫出圖象為：．故答案為：；
（5）分析流程合成氨放熱通過Ⅳ熱交換器加熱反應(yīng)混合氣體，使反應(yīng)達到所需溫度，提高合成氨原料總轉(zhuǎn)化率，依據(jù)平衡移動原理分析，分離出氨氣促進平衡正向進行，把平衡混合氣體中氮氣和氫氣重新循環(huán)使用，提高原理利用率；
故答案為：Ⅳ；分離液氨，未反應(yīng)的氮氣和氫氣循環(huán)使用．

點評 本題考查了化學(xué)平衡影響因素分析，平衡計算應(yīng)用，注意反應(yīng)特征的計算應(yīng)用，圖象繪制，掌握基礎(chǔ)是關(guān)鍵，題目難度較大．