Question

14．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下：
（1）在密閉容器中，使2mol N₂和6mol H₂混合發(fā)生下列反應：N₂（g）+3H₂（g）═2NH₃（g）（正反應為放熱反應）
當反應達到平衡時，N₂和H₂的濃度比是1：3．升高平衡體系的溫度（保持體積不變），
混合氣體的平均相對分子質量變�。�（填“變大”“變小”或“不變”）
（2）天然氣中的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，寫出再生反應的化學方程式：2NH₄HS+O₂$\frac{\underline{\;一定條件\;}}{\;}$2NH₃•H₂O+2S↓．
（3）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
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
利用反應②，將CO進一步轉化，可提高H₂產量．若a mol CO和H₂的混合氣體（H₂的體積分數為80%）與H₂O反應，得到1.14a mol CO、CO₂和H₂的混合氣體，則CO轉化率為70%．
（4）上述流程圖中，使合成氨放出的能量得到充分利用的主要步驟是（填序號）Ⅳ對原料氣加壓．簡述本流程中提高合成氨原料總轉化率的方法：分離液氨后，未反應的N₂、H₂循環(huán)使用．

Answer 1

分析 （1）依據起始量氮氣和氫氣物質的量之比等于反應之比分析判斷；反應是放熱反應，升溫平衡逆向進行，氣體質量不變，物質的量增大，根據M=$\frac{m}{n}$判斷；
（2）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；
（3）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；依據化學平衡三段式列式計算，根據轉化率的表達式計算；
（4）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）依據起始量氮氣和氫氣物質的量之比等于反應之比分析判斷，在密閉容器中，使2molN₂和6molH₂混合發(fā)生下列反應：N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g），反應物起始量之比等于化學方程式中的反應之比，所以平衡濃度為1：3；N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）（正反應為放熱反應），反應是放熱反應，所以升溫平衡逆向進行，氣體質量不變，氣體物質的量增大，M=$\frac{m}{n}$可知，混和氣體的平均相對分子質量減��；故答案為：1：3；變小；
（2）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\;}}{\;}$2NH₃•H₂O+2S↓；
（3）反應①CH₄（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+3H₂（g）△H=+206.4 kJ•mol^-1，是氣體體積增大的吸熱反應，一定可以提高平衡體系中H₂百分含量，說明平衡正向進行，又能加快反應速率，說明影響反應速率的條件可以是升溫、加壓、增大濃度等，分析反應特征可知反應正向進行且反應速率增大的只有升溫平衡向吸熱反應進行，平衡正向進行反應速率增大；
a．反應是吸熱反應，升高溫度，反應速率增大，平衡正向進行，平衡體系中H₂百分含量增大，故a正確；
b．增大水蒸氣濃度，平衡正向進行，反應速率增大，但平衡體系中H₂百分含量不一定增大，故b錯誤；
c．加入催化劑，改變反應速率不改變化學平衡，反應速率增大，氫氣百分含量不變，故c錯誤；
d．減小壓強，平衡向著正向移動，氫氣百分含量增大，但反應速率減小，故d錯誤；
利用反應②，將CO進一步轉化，可提高H₂產量，若：amol CO和H₂的混合氣體（H₂的體積分數為80%）中 H₂為：amol×80%=0.8amol，CO的物質的量為：0.2amol，與H₂O反應，得到1.14amol CO、CO₂和H₂的混合氣體，該反應前后氣體體積不變，增加的部分應該是起始的水蒸氣的物質的量為：1.14amol-amol=0.14amol，
設轉化的一氧化碳的物質的量為x，則
            CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）
起始量（mol） 0.2a  0.14a      0      0.8a
變化量（mol） x       x          x      x
平衡量（mol）0.2a-x   0.14a-x    x    x+0.8a
則：0.2a-x+x+x+0.8a=1.14a，
x=0.14amol
則CO轉化率為：$\frac{0.14amol}{0.2a\\;mol}$×100%=70%，
故答案為：a；70%；
（4）由流程合成氨放熱通過Ⅳ熱交換器加熱反應混合氣體，使反應達到所需溫度，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：Ⅳ對原料氣加壓；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、化學平衡的計算，題目難度中等，注意化學平衡的計算方法，明確化學平衡及其影響因素，試題培養(yǎng)了學生的分析、理解能力及化學計算能力．