Question

3．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）△H=-92.4kJ•mol?¹
一种工业合成氨的简易流程图如图1：

（1）天然气中的H₂S杂质常用常用氨水吸收，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：2NH₄HS+O₂=2NH₃•H₂O+2S↓．
（2）步骤II中制氯气原理如下：
①CH₄（g）+H₂O（g）=CO₂（g）+3H₂（g）△H=+206.4kJ•mol^-1
②CO（g）+H₂O（g）=CO₂（g）+H₂（g）△H=-41.2kJ•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是a．
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1mol CO和H₂的混合气体（CO的体积分数为20%）与H₂O反应，得到1.18mol CO、CO₂和H₂的混合气体，则CO转化率为90%．
（3）图2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%．
（4）依据温度对合成氨反应的影响，在图3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，使合成氨放出的热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：分离液氨，未反应的氮气和氢气循环使用．

Answer 1

分析 （1）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；
（2）根据影响化学反应速率以及平衡移动的因素结合三行式进行计算回答；
（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判断．

解答 解：（1）O₂把NH₄HS氧化为S，可得化学方程式：2NH₄HS+O₂=2NH₃•H₂O+2S↓，故答案为：2NH₄HS+O₂=2NH₃•H₂O+2S↓；
（2）a、反应①为吸热反应，反应速率加快，平衡向右移动，H₂的百分含量增大，正确；b、增大水蒸气浓度，H₂的百分含量减小，错误；c、加入催化剂，H₂的百分含量不变，错误；d、降低压强，反应速率减小，错误；设CO的转化量为x
              CO+H₂O?CO₂+H₂
转化量（mol）  0.2    0   0.8
转化量（mol）   x     x    x
转化量（mol）  0.2-x  x  0.8+x
1mol+x=1.18mol，则x=0.18mol，可得CO转化率=$\frac{0.18mol}{0.2mol}$×100%=90%．
（3）根据图1可知H₂与N₂的投料比为3，平衡时NH₃体积分数为42%，设H₂物质的量为3amol，N₂物质的量为amol，N₂转化的物质的量为x则
                N₂+3H₂?2NH₃
转化量（mol）   a   3a      0
转化量（mol）   x    3x     2x
转化量（mol）  a-x  3a-3x   2x
$\frac{2x}{4a-2x}$×100%=42%，解得x=0.592a，则N₂的平衡体积分数=$\frac{a-0.592a}{4a-2×0.592a}$×100%=14.5%，故答案为：14.5%；
（4）随着反应的进行，NH₃的物质的量逐渐增大，当反应平衡后，升高温度，平衡向左移动，NH₃的物质的量逐渐减小，可画出图象为：．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，注意反应特征的计算应用，图象绘制，掌握基础是关键，题目难度较大．