Question

合成氨是人类科学技术上的一项重大突破，其反应原理为：

N₂(g)＋3H₂(g)2NH₃(g)

ΔH＝－92.4 kJ·mol^－1

一种工业合成氨的简易流程图如下：

(1)天然气中的H₂S杂质常用氨水吸收，产物为NH₄HS。一定条件下向NH₄HS溶液中通入空气，得到单质硫并使吸收液再生，写出再生反应的化学方程式_____________________________________________________ _____________________________________________________________________________________。

(2)步骤Ⅱ中制氢气原理如下：

①CH₄(g)＋H₂O(g)CO(g)＋3H₂(g)

ΔH＝＋206.4 kJ·mol^－1

②CO(g)＋H₂O(g)CO₂(g)＋H₂(g)

ΔH＝－41.2 kJ·mol^－1

对于反应①，一定可以提高平衡体系中H₂百分含量，又能加快反应速率的措施是________(填选项字母)。

a．升高温度　　　　　                   b．增大水蒸气浓度

c．加入催化剂                           d．降低压强

利用反应②，将CO进一步转化，可提高H₂产量。若1 mol CO和H₂的混合气体(CO的体积分数为20%)与H₂O反应，得到1.18 mol CO、CO₂和H₂的混合气体，则CO转化率为______________________ __________________________________________________。

(3)图1表示500 ℃、60.0 MPa条件下，原料气投料比与平衡时NH₃体积分数的关系。根据图中a点数据计算N₂的平衡体积分数为________。

(4)依据温度对合成氨反应的影响，在图2坐标系中，画出一定条件下的密闭容器内，从通入原料气开始，随温度不断升高，NH₃物质的量变化的曲线示意图。

(5)上述流程图中，使合成氨放出的能量得到充分利用的主要步骤是(填序号)________。简述本流程中提高合成氨原料总转化率的方法________________________________________________________________________。

Answer 1

解析　(1)向NH₄HS溶液中通入空气，发生氧化还原反应，有S单质生成，故反应为2NH₄HS＋O₂2NH₃·H₂O＋2S↓

(2)反应①是一个吸热反应，升高温度平衡正向移动，将会增加H₂的含量，同时提高反应速率；增大水蒸气的浓度，会提高反应速率，但H₂的含量会降低；加入催化剂，不会引起H₂含量的改变；降低压强，反应速率减小；故a正确。设CO反应掉n mol。

　　　　   CO(g)＋H₂O(g)CO₂(g)＋H₂(g)

投入量/mol  0.2               0      0.8

变化量/mol  n                n       n

最终量/mol  0.2－n            n    0.8＋n

则：0.2－n＋n＋0.8＋n＝1.18　解得：n＝0.18

CO的转化率为×100%＝90%。

(3)设投入N₂和H₂的物质的量分别是1 mol、3 mol，平衡时N₂反应掉m mol。

　　　　   N₂　＋　3H₂2NH₃

起始量/mol  1       3       0

变化量/mol  m      3m     2m

平衡量/mol  1－m   3－3m  2m

根据题意：＝42%，解得m≈0.59，所以平衡时N₂的体积分数为×100%≈14.5%。

(4)通入原料气，反应开始，氨气的量增加，因为合成氨是一个放热反应，当达到平衡后温度升高，氨气的含量将减小。所以图象为。

(5)从流程图看，反应放出的能量得到充分利用是在热交换器中。提高合成氨原料转化率的方法是：将未反应的原料重新送回反应器中循环使用、对原料气加压。

答案　(1)2NH₄HS＋O₂2NH₃·H₂O＋2S↓

(2)a　90%

(3)14.5%

(4)

(5)Ⅳ　对原料气加压；分离液氨后，未反应的N₂、H₂循环使用