Question

11．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3：

（1）天然氣中的H₂S雜質(zhì)常用氨水吸收，寫出氨水的電離方程式NH₃•H₂O?NH₄⁺+H₂O．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，寫出吸收液再生反應(yīng)的化學(xué)方程式2NH₄HS+O₂$\frac{\underline{\;一定條件\;}}{\;}$2NH₃•H₂O+2S↓．
（2）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
則反應(yīng)CH₄（g）+2H₂O（g）?CO₂（g）+4H₂（g）△H=+165.2kJ•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（填編號）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
（3）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蒸氣反應(yīng)，得到1.18mol CO、CO₂和H₂的混合氣體，則CO轉(zhuǎn)化率為90%．
（4）如圖1表示500℃、60.0MPa條件下，H₂和N₂為原料氣的投料比與平衡時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)為14.5%．
（5）依據(jù)溫度對合成氨反應(yīng)的影響，在如圖2坐標(biāo)系中，畫出一定條件下的密閉容器內(nèi)，從通入起始原料氣開始，隨溫度不斷升高，NH₃物質(zhì)的量變化的曲線示意圖．
（6）簡述本流程中提高合成氨原料總轉(zhuǎn)化率的方法對原料氣加壓或分離液氨后未反應(yīng)的N₂、H₂循環(huán)使用．

Answer 1

分析 （1）氨水是弱電解質(zhì)，不能完全電離，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）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
則①+②得到反應(yīng)CH₄（g）+2H₂O（g）?CO₂（g）+4H₂（g），根據(jù)蓋斯定律計算焓變；反應(yīng)①是氣體體積增大的吸熱反應(yīng)，一定可以提高平衡體系中H₂百分含量，說明平衡正向進行，又能加快反應(yīng)速率，說明影響反應(yīng)速率的條件可以是升溫、加壓、增大濃度等，分析反應(yīng)特征可知反應(yīng)正向進行且反應(yīng)速率增大的只有升溫平衡向吸熱反應(yīng)進行，平衡正向進行反應(yīng)速率增大，依據(jù)平衡移動原理和影響反應(yīng)速率因素分析判斷；
（3）依據(jù)化學(xué)平衡三段式列式計算，轉(zhuǎn)化率=$\frac{消耗量}{起始量}$×100%計算；
（4）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)；
（5）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；
（6）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）氨水是弱電解質(zhì)，不能完全電離，電離方程式為：NH₃•H₂O?NH₄⁺+H₂O，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)方程式為：2NH₄HS+O₂$\frac{\underline{\;一定條件\;}}{\;}$2NH₃•H₂O+2S↓，故答案為：2NH₄HS+O₂$\frac{\underline{\;一定條件\;}}{\;}$2NH₃•H₂O+2S↓；
（2）①CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）△H=+206.4kJ•mol^-1
②CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H=-41.2kJ•mol^-1
則①+②得到：反應(yīng)CH₄（g）+2H₂O（g）?CO₂（g）+4H₂（g），所以焓變△H=206.4kJ•mol^-1+（-41.2kJ•mol^-1）=+165.2，
反應(yīng)①CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）△H=+206.4 kJ•mol^-1，是氣體體積增大的吸熱反應(yīng)，一定可以提高平衡體系中H₂百分含量，說明平衡正向進行，又能加快反應(yīng)速率，說明影響反應(yīng)速率的條件可以是升溫、加壓、增大濃度等，分析反應(yīng)特征可知反應(yīng)正向進行且反應(yīng)速率增大的只有升溫平衡向吸熱反應(yīng)進行，平衡正向進行反應(yīng)速率增大；
a．反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，升高溫度，反應(yīng)速率增大，平衡正向進行，平衡體系中H₂百分含量增大，故a符合；
b．增大水蒸氣濃度，平衡正向進行，反應(yīng)速率增大，但平衡體系中H₂百分含量不一定增大，故b不符合；
c．加入催化劑，改變反應(yīng)速率不改變化學(xué)平衡，反應(yīng)速率增大，氫氣百分含量不變，故c不符合；
d．降低壓強，反應(yīng)速率減小，平衡正向進行，氫氣百分含量增大，故d不符合；
故選a；故答案為：+165.2 kJ•mol^-1；a；
（3）利用反應(yīng)②，將CO進一步轉(zhuǎn)化，可提高H₂產(chǎn)量，若1mol CO和H₂的混合氣體（CO的體積分?jǐn)?shù)為20%）中 CO為0.2mol，H₂的物質(zhì)的量為0.8mol，與H₂O反應(yīng)，得到1.18mol CO、CO₂和H₂的混合氣體，依據(jù)反應(yīng)前后氣體體積不變，增加的部分應(yīng)該是起始的水蒸氣的物質(zhì)的量為0.18mol，設(shè)轉(zhuǎn)化的一氧化碳的物質(zhì)的量為x，依據(jù)化學(xué)平衡三段式列式計算
            CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H=-41.2 kJ•mol^-1
起始量（mol） 0.2  0.18+x      0      0.8
變化量（mol） x       x        x      x
平衡量（mol）0.2-x   0.18      x      x+0.8
則0.2-x+x+x+0.8=1.18，x=0.18
則CO轉(zhuǎn)化率為$\frac{0.18mol}{0.2mol}$×100%=90%
故答案為：90%；
（4）依據(jù)反應(yīng)特征N₂+3H₂=2NH₃ △V
                              1  3     2            2
          平衡體積      V                     V 
即反應(yīng)前后氣體體積減小為生成氨氣的體積，相同條件下，氣體體積比等于氣體物質(zhì)的量之比，圖象分析可知平衡狀態(tài)氨氣體積含量42%，設(shè)平衡混合氣體體積為100，氨氣為體積42，則反應(yīng)前氣體體積100+42=142，氮氣和氫氣按照1：3混合，氮氣體積=142×$\frac{1}{4}$=35.5，依據(jù)化學(xué)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?jǐn)?shù)為14.5%；
故答案為：14.5%；
（5）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：；   
（6）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：對原料氣加壓或分離液氨后未反應(yīng)的N₂、H₂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．