Question

6．1902年德国化学家哈博研究出合成氨的方法，其反应原理为：N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）；△H（△H＜0）
一种工业合成氨的简易流程图如下：

完成下列填空：
（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．NH₄HS的电子式是，写出再生反应的化学方程式：2NH₄HS+O₂=2S↓+2NH₃•H₂O．NH₃的沸点高于H₂S，是因为NH₃分子之间存在着一种比分子间作用力更强的作用力．
（2）室温下，0.1mol/L的氯化铵溶液和0.1mol/L的硫酸氢铵溶液，酸性更强的是NH₄HSO₄，其原因是HSO₄^-有较大程度的电离，使溶液呈较强酸性，而NH₄Cl只是NH₄⁺水解呈弱酸性．已知：H₂SO₄：H₂SO₄=H⁺+HSO₄^-；  HSO₄^-?H⁺+SO₄^2-：K=1.2×10^-2NH₃•H₂O：K=1.8×10^-5
（3）如图甲表示500℃、60.0MPa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：14.5%（保留3位有效数字）．
（4）依据温度对合成氨反应的影响，在图乙坐标系中，画出一定条件下的密闭容器内，从常温下通入原料气开始，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）Ⅳ．简述本流程中提高合成氨原料总转化率的方法（只答一种即可）：分离液氨，未反应的氮气和氢气循环使用．

Answer 1

分析 （1）NH₄HS为离子化合物，阴阳离子都需要标出最外层电子及所带电荷；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，反应过程中生成一水合氨，依据原子守恒和电子守恒配平书写化学方程式；NH₃分子间存在氢键，所以NH₃的沸点高于H₂S；
（2）硫酸氢铵中的硫氢根离子第二步电离程度K_i2=1.2×10^-2，非常的大，所以硫酸氢铵溶液的酸性强同浓度的氯化铵；
（3）依据反应特征N₂+3H₂=2NH₃，反应前后气体体积减小为生成氨气的体积，相同条件下，气体体积比等于气体物质的量之比，图象分析可知平衡状态氨气体积含量42%，设平衡混合气体体积为 100，氨气为体积42，计算反应的氮气，依据气体体积比计算原混合气体中氮气体积，得到平衡状态下氮气体积分数；
（4）合成氨的反应是放热反应，开始反应，氨气物质的量增大，达到平衡状态，继续升温，平衡逆向进行，氨气物质的量减小，据此画出变化图象；
（5）依据反应是气体体积减小的放热反应，结合平衡移动原理分析．

解答 解：（1）NH₄HS为离子化合物，其电子式是；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，反应过程中生成一水合氨，依据原子守恒和电子守恒配平书写化学方程式为：2NH₄HS+O₂=2S↓+2NH₃•H₂O；
；NH₃分子间存在氢键，所以NH₃的沸点高于H₂S，
故答案为：；2NH₄HS+O₂=2S↓+2NH₃•H₂O；分子间作用；
（2）硫酸氢铵中的硫氢根离子的电离程度K_i2=1.2×10^-2，0.1mol/L的硫酸氢铵溶液中氢离子浓度约为：0.1mol/L×1.2×10^-2=1.2×10^-3×mol/L，而氯化铵是铵根离子部分水解呈酸性，所以硫酸氢铵溶液的酸性大于同浓度的氯化铵，
故答案为：NH₄HSO₄；HSO₄^-有较大程度的电离，使溶液呈较强酸性，而NH₄Cl只是NH₄⁺水解呈弱酸性；
（3）依据反应特征N₂+3H₂=2NH₃ △V
                1  3   2    2
          平衡体积      V    V 
即反应前后气体体积减小为生成氨气的体积，相同条件下，气体体积比等于气体物质的量之比，图象分析可知平衡状态氨气体积含量42%，设平衡混合气体体积为100，氨气为体积42，则反应前气体体积100+42=142，氮气和氢气按照1：3混合，氮气体积=142×$\frac{1}{4}$=35.5，依据化学方程式计算反应的氮气体积为21，平衡状态氮气为35.5-21=14.5，则氮气体积分数为14.5%，
故答案为：14.5%；
（4）合成氨的反应是放热反应，开始反应，氨气物质的量增大，达到平衡状态，继续升温，平衡逆向进行，氨气物质的量减小，画出的图象为：
，
故答案为：；
（5）分析流程合成氨放热通过Ⅳ热交换器加热反应混合气体，使反应达到所需温度，提高合成氨原料总转化率，依据平衡移动原理分析，分离出氨气促进平衡正向进行，把平衡混合气体中氮气和氢气重新循环使用，提高原理利用率；
故答案为：Ⅳ；分离液氨，未反应的氮气和氢气循环使用．

点评 本题考查了化学平衡影响因素分析、平衡计算应用，题目难度中等，注意反应特征的计算应用、图象绘制，试题侧重考查学生灵活应用基础知识的能力．