Question

11．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3：

（1）天然气中的H₂S杂质常用氨水吸收，写出氨水的电离方程式NH₃•H₂O?NH₄⁺+H₂O．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，写出吸收液再生反应的化学方程式2NH₄HS+O₂$\frac{\underline{\;一定条件\;}}{\;}$2NH₃•H₂O+2S↓．
（2）步骤II中制氢气原理如下：
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
则反应CH₄（g）+2H₂O（g）?CO₂（g）+4H₂（g）△H=+165.2kJ•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措施是（填编号）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
（3）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蒸气反应，得到1.18mol CO、CO₂和H₂的混合气体，则CO转化率为90%．
（4）如图1表示500℃、60.0MPa条件下，H₂和N₂为原料气的投料比与平衡时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14.5%．
（5）依据温度对合成氨反应的影响，在如图2坐标系中，画出一定条件下的密闭容器内，从通入起始原料气开始，随温度不断升高，NH₃物质的量变化的曲线示意图．
（6）简述本流程中提高合成氨原料总转化率的方法对原料气加压或分离液氨后未反应的N₂、H₂循环使用．

Answer 1

分析 （1）氨水是弱电解质，不能完全电离，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）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
则①+②得到反应CH₄（g）+2H₂O（g）?CO₂（g）+4H₂（g），根据盖斯定律计算焓变；反应①是气体体积增大的吸热反应，一定可以提高平衡体系中H₂百分含量，说明平衡正向进行，又能加快反应速率，说明影响反应速率的条件可以是升温、加压、增大浓度等，分析反应特征可知反应正向进行且反应速率增大的只有升温平衡向吸热反应进行，平衡正向进行反应速率增大，依据平衡移动原理和影响反应速率因素分析判断；
（3）依据化学平衡三段式列式计算，转化率=$\frac{消耗量}{起始量}$×100%计算；
（4）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；
（5）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；
（6）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）氨水是弱电解质，不能完全电离，电离方程式为：NH₃•H₂O?NH₄⁺+H₂O，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$\frac{\underline{\;一定条件\;}}{\;}$2NH₃•H₂O+2S↓，故答案为：2NH₄HS+O₂$\frac{\underline{\;一定条件\;}}{\;}$2NH₃•H₂O+2S↓；
（2）①CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）△H=+206.4kJ•mol^-1
②CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H=-41.2kJ•mol^-1
则①+②得到：反应CH₄（g）+2H₂O（g）?CO₂（g）+4H₂（g），所以焓变△H=206.4kJ•mol^-1+（-41.2kJ•mol^-1）=+165.2，
反应①CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）△H=+206.4 kJ•mol^-1，是气体体积增大的吸热反应，一定可以提高平衡体系中H₂百分含量，说明平衡正向进行，又能加快反应速率，说明影响反应速率的条件可以是升温、加压、增大浓度等，分析反应特征可知反应正向进行且反应速率增大的只有升温平衡向吸热反应进行，平衡正向进行反应速率增大；
a．反应是吸热反应，升高温度，反应速率增大，平衡正向进行，平衡体系中H₂百分含量增大，故a符合；
b．增大水蒸气浓度，平衡正向进行，反应速率增大，但平衡体系中H₂百分含量不一定增大，故b不符合；
c．加入催化剂，改变反应速率不改变化学平衡，反应速率增大，氢气百分含量不变，故c不符合；
d．降低压强，反应速率减小，平衡正向进行，氢气百分含量增大，故d不符合；
故选a；故答案为：+165.2 kJ•mol^-1；a；
（3）利用反应②，将CO进一步转化，可提高H₂产量，若1mol CO和H₂的混合气体（CO的体积分数为20%）中 CO为0.2mol，H₂的物质的量为0.8mol，与H₂O反应，得到1.18mol CO、CO₂和H₂的混合气体，依据反应前后气体体积不变，增加的部分应该是起始的水蒸气的物质的量为0.18mol，设转化的一氧化碳的物质的量为x，依据化学平衡三段式列式计算
            CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H=-41.2 kJ•mol^-1
起始量（mol） 0.2  0.18+x      0      0.8
变化量（mol） x       x        x      x
平衡量（mol）0.2-x   0.18      x      x+0.8
则0.2-x+x+x+0.8=1.18，x=0.18
则CO转化率为$\frac{0.18mol}{0.2mol}$×100%=90%
故答案为：90%；
（4）依据反应特征N₂+3H₂=2NH₃ △V
                              1  3     2            2
          平衡体积      V                     V 
即反应前后气体体积减小为生成氨气的体积，相同条件下，气体体积比等于气体物质的量之比，图象分析可知平衡状态氨气体积含量42%，设平衡混合气体体积为100，氨气为体积42，则反应前气体体积100+42=142，氮气和氢气按照1：3混合，氮气体积=142×$\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%；
（5）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：；   
（6）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：对原料气加压或分离液氨后未反应的N₂、H₂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．