Question

11．合成氨是人類科學技術上的一項重大突破，其反應原理為：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雜質常用氨水吸收，寫出氨水的電離方程式NH₃•H₂O?NH₄⁺+H₂O．吸收產物為NH₄HS．一定條件下向NH₄HS溶液中通入空氣，得到單質硫并使吸收液再生，寫出吸收液再生反應的化學方程式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CH₄（g）+2H₂O（g）?CO₂（g）+4H₂（g）△H=+165.2kJ•mol^-1．
對于反應①，一定可以提高平衡體系中H₂百分含量，又能加快反應速率的措施是（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②，將CO進一步轉化，可提高H₂產量．若1mol CO和H₂的混合氣體（CO的體積分數為20%）與H₂O蒸氣反應，得到1.18mol CO、CO₂和H₂的混合氣體，則CO轉化率為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體積分數的關系．根據圖中a點數據計算N₂的平衡體積分數為14.5%．
（5）依據溫度對合成氨反應的影響，在如圖2坐標系中，畫出一定條件下的密閉容器內，從通入起始原料氣開始，隨溫度不斷升高，NH₃物質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化率的方法對原料氣加壓或分離液氨后未反應的N₂、H₂循環(huán)使用．

Answer 1

分析 （1）氨水是弱電解質，不能完全電離，H₂S雜質常用氨水吸收，產物為NH₄HS，一定條件下向NH₄HS溶液中通入空氣，得到單質硫并使吸收液再生，反應過程中生成一水合氨，依據原子守恒和電子守恒配平書寫化學方程式；
（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CH₄（g）+2H₂O（g）?CO₂（g）+4H₂（g），根據蓋斯定律計算焓變；反應①是氣體體積增大的吸熱反應，一定可以提高平衡體系中H₂百分含量，說明平衡正向進行，又能加快反應速率，說明影響反應速率的條件可以是升溫、加壓、增大濃度等，分析反應特征可知反應正向進行且反應速率增大的只有升溫平衡向吸熱反應進行，平衡正向進行反應速率增大，依據平衡移動原理和影響反應速率因素分析判斷；
（3）依據化學平衡三段式列式計算，轉化率=$\frac{消耗量}{起始量}$×100%計算；
（4）依據反應特征N₂+3H₂=2NH₃，反應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的量之比，圖象分析可知平衡狀態(tài)氨氣體積含量42%，設平衡混合氣體體積為 100，氨氣為體積42，計算反應的氮氣，依據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；
（5）合成氨的反應是放熱反應，開始反應，氨氣物質的量增大，達到平衡狀態(tài)，繼續(xù)升溫，平衡逆向進行，氨氣物質的量減小，據此畫出變化圖象；
（6）依據反應是氣體體積減小的放熱反應，結合平衡移動原理分析判斷．

解答 解：（1）氨水是弱電解質，不能完全電離，電離方程式為：NH₃•H₂O?NH₄⁺+H₂O，H₂S雜質常用氨水吸收，產物為NH₄HS，一定條件下向NH₄HS溶液中通入空氣，得到單質硫并使吸收液再生，反應過程中生成一水合氨，依據原子守恒和電子守恒配平書寫化學方程式為：2NH₄HS+O₂$\frac{\underline{\;一定條件\;}}{\;}$2NH₃•H₂O+2S↓，故答案為：2NH₄HS+O₂$\frac{\underline{\;一定條件\;}}{\;}$2NH₃•H₂O+2S↓；
（2）①CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）△H=+206.4kJ•mol^-1
②CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H=-41.2kJ•mol^-1
則①+②得到：反應CH₄（g）+2H₂O（g）?CO₂（g）+4H₂（g），所以焓變△H=206.4kJ•mol^-1+（-41.2kJ•mol^-1）=+165.2，
反應①CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）△H=+206.4 kJ•mol^-1，是氣體體積增大的吸熱反應，一定可以提高平衡體系中H₂百分含量，說明平衡正向進行，又能加快反應速率，說明影響反應速率的條件可以是升溫、加壓、增大濃度等，分析反應特征可知反應正向進行且反應速率增大的只有升溫平衡向吸熱反應進行，平衡正向進行反應速率增大；
a．反應是吸熱反應，升高溫度，反應速率增大，平衡正向進行，平衡體系中H₂百分含量增大，故a符合；
b．增大水蒸氣濃度，平衡正向進行，反應速率增大，但平衡體系中H₂百分含量不一定增大，故b不符合；
c．加入催化劑，改變反應速率不改變化學平衡，反應速率增大，氫氣百分含量不變，故c不符合；
d．降低壓強，反應速率減小，平衡正向進行，氫氣百分含量增大，故d不符合；
故選a；故答案為：+165.2 kJ•mol^-1；a；
（3）利用反應②，將CO進一步轉化，可提高H₂產量，若1mol CO和H₂的混合氣體（CO的體積分數為20%）中 CO為0.2mol，H₂的物質的量為0.8mol，與H₂O反應，得到1.18mol CO、CO₂和H₂的混合氣體，依據反應前后氣體體積不變，增加的部分應該是起始的水蒸氣的物質的量為0.18mol，設轉化的一氧化碳的物質的量為x，依據化學平衡三段式列式計算
            CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H=-41.2 kJ•mol^-1
起始量（mol） 0.2  0.18+x      0      0.8
變化量（mol） x       x        x      x
平衡量（mol）0.2-x   0.18      x      x+0.8
則0.2-x+x+x+0.8=1.18，x=0.18
則CO轉化率為$\frac{0.18mol}{0.2mol}$×100%=90%
故答案為：90%；
（4）依據反應特征N₂+3H₂=2NH₃ △V
                              1  3     2            2
          平衡體積      V                     V 
即反應前后氣體體積減小為生成氨氣的體積，相同條件下，氣體體積比等于氣體物質的量之比，圖象分析可知平衡狀態(tài)氨氣體積含量42%，設平衡混合氣體體積為100，氨氣為體積42，則反應前氣體體積100+42=142，氮氣和氫氣按照1：3混合，氮氣體積=142×$\frac{1}{4}$=35.5，依據化學方程式計算反應的氮氣體積為21，平衡狀態(tài)氮氣為35.5-21=14.5，則氮氣體積分數為14.5%；
故答案為：14.5%；
（5）合成氨的反應是放熱反應，開始反應，氨氣物質的量增大，達到平衡狀態(tài)，繼續(xù)升溫，平衡逆向進行，氨氣物質的量減小，畫出的圖象為：
；
故答案為：；   
（6）提高合成氨原料總轉化率，依據平衡移動原理分析，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的N₂、H₂循環(huán)使用．

點評 本題考查了化學平衡影響因素分析，平衡計算應用，注意反應特征的計算應用，圖象繪制，掌握基礎是關鍵，題目難度較大．