Question

19．合成氨是人類科學技術(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下：

（1）步驟Ⅱ中制氫氣原理如下：
①CH₄（g）+H₂O（g）?CO（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)速率的措施是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的體積分數(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%．
（2）圖1表示500℃、60.0MPa條件下，原料氣投料比與平衡時NH₃體積分數(shù)的關(guān)系．根據(jù)圖中a點數(shù)據(jù)計算N₂的平衡體積分數(shù)：14.5%．
（3）依據(jù)溫度對合成氨反應(yīng)的影響，在圖2坐標系中，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．

（4）上述流程圖中，使合成氨放出的能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（任寫兩種）：①對原料氣加壓②分離液氨，未反應(yīng)的氮氣和氫氣循環(huán)使用

Answer 1

分析 （1）①的正反應(yīng)是氣體體積增大的吸熱反應(yīng)，升高溫度、增大壓強、增大物質(zhì)濃度、加入催化劑都能加快反應(yīng)速率，但升高溫度、減小壓強、增大反應(yīng)物濃度或減小生成物濃度能使該反應(yīng)向正反應(yīng)方向移動；
利用反應(yīng)②，若1mol CO和H₂的混合氣體（CO的體積分數(shù)為20%）與H₂O反應(yīng)，反應(yīng)初始n（CO）=1mol×20%=0.2mol，反應(yīng)平衡后得到1.18mol CO、CO₂和H₂的混合氣體，根據(jù)C原子守恒得n（CO）+n（CO₂）=0.2mol，所以n（H₂）=（1.18-0.2）=0.98mol，氫氣增加的物質(zhì)的量=（0.98-1×80%）mol=0.18mol，根據(jù)氫氣和二氧化碳關(guān)系式得參加反應(yīng)的n（CO₂）=0.18mol，
則CO轉(zhuǎn)化率=$\frac{參加反應(yīng)的二氧化碳物質(zhì)的量}{二氧化碳總物質(zhì)的量}×100%$；      
（2）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)下氮氣體積分數(shù)；
（3）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；
（4）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）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)速率的措施是．
a．升高溫度，增大活化分子百分數(shù)，反應(yīng)速率加快，該反應(yīng)的正反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，升高溫度平衡正向移動，符合條件，故正確；         
b．增大水蒸氣濃度正向移動，反應(yīng)速率加快，但氫氣百分含量減小，故錯誤；
c．加入催化劑加快反應(yīng)速率，但平衡不移動，所以氫氣百分含量不變，故錯誤；       
d．降低壓強反應(yīng)速率減小，不符合條件，故錯誤；
故選a；
利用反應(yīng)②，若1mol CO和H₂的混合氣體（CO的體積分數(shù)為20%）與H₂O反應(yīng)，反應(yīng)初始n（CO）=1mol×20%=0.2mol，反應(yīng)平衡后得到1.18mol CO、CO₂和H₂的混合氣體，根據(jù)C原子守恒得n（CO）+n（CO₂）=0.2mol，所以n（H₂）=（1.18-0.2）=0.98mol，氫氣增加的物質(zhì)的量=（0.98-1×80%）mol=0.18mol，根據(jù)氫氣和二氧化碳關(guān)系式得參加反應(yīng)的n（CO₂）=0.18mol，
則CO轉(zhuǎn)化率=$\frac{參加反應(yīng)的二氧化碳物質(zhì)的量}{二氧化碳總物質(zhì)的量}×100%$=$\frac{0.18mol}{0.2mol}×100%$=90%，
故答案為：a；90%；   
（2）依據(jù)反應(yīng)特征N₂+3H₂=2NH₃ △V
                1  3   2     2
          平衡體積      V    V 
即反應(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，則反應(yīng)前氣體體積100+42=142，氮氣和氫氣按照1：3混合，氮氣體積=142×$\frac{1}{4}$=35.5，依據(jù)化學方程式計算反應(yīng)的氮氣體積為21，平衡狀態(tài)氮氣為35.5-21=14.5，則氮氣體積分數(shù)為14.5%；
故答案為：14.5%；
（3）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，畫出的圖象為：
，故答案為：；
（4）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、對原料氣加壓都促進平衡正向進行，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；對原料氣加壓；分離液氨，未反應(yīng)的氮氣和氫氣循環(huán)使用．

點評 本題考查化學平衡計算、化學平衡移動影響因素等知識點，為高頻考點，把握平衡移動原理及化學平衡三段式計算方法是解本題關(guān)鍵，注意：催化劑只影響反應(yīng)速率不影響平衡移動，為易錯點．