Question

6．1902年德國化學家哈博研究出合成氨的方法，其反應原理為：N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）；△H（△H＜0）
一種工業(yè)合成氨的簡易流程圖如下：

完成下列填空：
（1）天然氣中的H₂S雜質(zhì)常用氨水吸收，產(chǎn)物為NH₄HS．一定條件下向NH₄HS溶液中通入空氣，得到單質(zhì)硫并使吸收液再生．NH₄HS的電子式是，寫出再生反應的化學方程式：2NH₄HS+O₂=2S↓+2NH₃•H₂O．NH₃的沸點高于H₂S，是因為NH₃分子之間存在著一種比分子間作用力更強的作用力．
（2）室溫下，0.1mol/L的氯化銨溶液和0.1mol/L的硫酸氫銨溶液，酸性更強的是NH₄HSO₄，其原因是HSO₄^-有較大程度的電離，使溶液呈較強酸性，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）如圖甲表示500℃、60.0MPa條件下，原料氣投料比與平衡時NH₃體積分數(shù)的關系．根據(jù)圖中a點數(shù)據(jù)計算N₂的平衡體積分數(shù)：14.5%（保留3位有效數(shù)字）．
（4）依據(jù)溫度對合成氨反應的影響，在圖乙坐標系中，畫出一定條件下的密閉容器內(nèi)，從常溫下通入原料氣開始，隨溫度不斷升高，NH₃物質(zhì)的量變化的曲線示意圖．

（5）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．簡述本流程中提高合成氨原料總轉化率的方法（只答一種即可）：分離液氨，未反應的氮氣和氫氣循環(huán)使用．

Answer 1

分析 （1）NH₄HS為離子化合物，陰陽離子都需要標出最外層電子及所帶電荷；H₂S雜質(zhì)常用氨水吸收，產(chǎn)物為NH₄HS，一定條件下向NH₄HS溶液中通入空氣，得到單質(zhì)硫并使吸收液再生，反應過程中生成一水合氨，依據(jù)原子守恒和電子守恒配平書寫化學方程式；NH₃分子間存在氫鍵，所以NH₃的沸點高于H₂S；
（2）硫酸氫銨中的硫氫根離子第二步電離程度K_i2=1.2×10^-2，非常的大，所以硫酸氫銨溶液的酸性強同濃度的氯化銨；
（3）依據(jù)反應特征N₂+3H₂=2NH₃，反應前后氣體體積減小為生成氨氣的體積，相同條件下，氣體體積比等于氣體物質(zhì)的量之比，圖象分析可知平衡狀態(tài)氨氣體積含量42%，設平衡混合氣體體積為 100，氨氣為體積42，計算反應的氮氣，依據(jù)氣體體積比計算原混合氣體中氮氣體積，得到平衡狀態(tài)下氮氣體積分數(shù)；
（4）合成氨的反應是放熱反應，開始反應，氨氣物質(zhì)的量增大，達到平衡狀態(tài)，繼續(xù)升溫，平衡逆向進行，氨氣物質(zhì)的量減小，據(jù)此畫出變化圖象；
（5）依據(jù)反應是氣體體積減小的放熱反應，結合平衡移動原理分析．

解答 解：（1）NH₄HS為離子化合物，其電子式是；H₂S雜質(zhì)常用氨水吸收，產(chǎn)物為NH₄HS，一定條件下向NH₄HS溶液中通入空氣，得到單質(zhì)硫并使吸收液再生，反應過程中生成一水合氨，依據(jù)原子守恒和電子守恒配平書寫化學方程式為：2NH₄HS+O₂=2S↓+2NH₃•H₂O；
；NH₃分子間存在氫鍵，所以NH₃的沸點高于H₂S，
故答案為：；2NH₄HS+O₂=2S↓+2NH₃•H₂O；分子間作用；
（2）硫酸氫銨中的硫氫根離子的電離程度K_i2=1.2×10^-2，0.1mol/L的硫酸氫銨溶液中氫離子濃度約為：0.1mol/L×1.2×10^-2=1.2×10^-3×mol/L，而氯化銨是銨根離子部分水解呈酸性，所以硫酸氫銨溶液的酸性大于同濃度的氯化銨，
故答案為：NH₄HSO₄；HSO₄^-有較大程度的電離，使溶液呈較強酸性，而NH₄Cl只是NH₄⁺水解呈弱酸性；
（3）依據(jù)反應特征N₂+3H₂=2NH₃ △V
                1  3   2    2
          平衡體積      V    V 
即反應前后氣體體積減小為生成氨氣的體積，相同條件下，氣體體積比等于氣體物質(zhì)的量之比，圖象分析可知平衡狀態(tài)氨氣體積含量42%，設平衡混合氣體體積為100，氨氣為體積42，則反應前氣體體積100+42=142，氮氣和氫氣按照1：3混合，氮氣體積=142×$\frac{1}{4}$=35.5，依據(jù)化學方程式計算反應的氮氣體積為21，平衡狀態(tài)氮氣為35.5-21=14.5，則氮氣體積分數(shù)為14.5%，
故答案為：14.5%；
（4）合成氨的反應是放熱反應，開始反應，氨氣物質(zhì)的量增大，達到平衡狀態(tài)，繼續(xù)升溫，平衡逆向進行，氨氣物質(zhì)的量減小，畫出的圖象為：
，
故答案為：；
（5）分析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(jù)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；分離液氨，未反應的氮氣和氫氣循環(huán)使用．

點評 本題考查了化學平衡影響因素分析、平衡計算應用，題目難度中等，注意反應特征的計算應用、圖象繪制，試題側重考查學生靈活應用基礎知識的能力．