Question

合成氨反應(yīng)原理為：N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H=-92.4kJ?mol^-1一種工業(yè)合成氨的簡(jiǎn)易流程圖如圖1所示：

（1）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(duì)于反應(yīng)①，一定可以提高平衡體系中H₂百分含量，又能加快反應(yīng)速率的措施是

 

．
a．升高溫度　　  b．增大水蒸氣濃度    c．加入催化劑　　  d．縮小容器的體積
利用反應(yīng)②，將CO進(jìn)一步轉(zhuǎn)化，可提高H₂產(chǎn)量．若2mol CO和H₂的混合氣體（CO的體積分?jǐn)?shù)為20%）與H₂O反應(yīng)，得到2.2mol CO、CO₂和H₂的混合氣體，則CO轉(zhuǎn)化率為

 

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（2）圖2中表示500℃、60.0MPa條件下，原料氣投料比與平衡時(shí)NH₃體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系．根據(jù)圖中a點(diǎn)數(shù)據(jù)計(jì)算H₂的平衡體積分?jǐn)?shù)：

 

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（3）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(hào)）

 

．簡(jiǎn)述兩點(diǎn)本流程中提高合成氨原料總轉(zhuǎn)化率的方法：

 

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Answer 1

考點(diǎn)：化學(xué)平衡的計(jì)算,化學(xué)反應(yīng)速率的影響因素

專題：化學(xué)平衡專題

分析：（1）反應(yīng)①是氣體體積增大的吸熱反應(yīng)，一定可以提高平衡體系中H₂百分含量，說明平衡正向進(jìn)行，又能加快反應(yīng)速率，說明影響反應(yīng)速率的條件可以是升溫、加壓、增大濃度等，分析反應(yīng)特征可知反應(yīng)正向進(jìn)行且反應(yīng)速率增大的只有升溫平衡向吸熱反應(yīng)進(jìn)行，平衡正向進(jìn)行反應(yīng)速率增大，依據(jù)平衡移動(dòng)原理和影響反應(yīng)速率因素分析判斷；依據(jù)化學(xué)平衡三段式列式計(jì)算，根據(jù)轉(zhuǎn)化率的表達(dá)式計(jì)算；
（2）依據(jù)反應(yīng)特征N₂+3H₂=2NH₃，反應(yīng)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(shè)平衡混合氣體體積為 100，氨氣為體積42，計(jì)算反應(yīng)的氫氣，依據(jù)氣體體積比計(jì)算原混合氣體中氫氣體積，得到平衡狀態(tài)下氫氣的體積分?jǐn)?shù)；
（3）依據(jù)反應(yīng)是氣體體積減小的放熱反應(yīng)，結(jié)合平衡移動(dòng)原理分析判斷．

解答： 解：（1）反應(yīng)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(yīng)，一定可以提高平衡體系中H₂百分含量，說明平衡正向進(jìn)行，又能加快反應(yīng)速率，說明影響反應(yīng)速率的條件可以是升溫、加壓、增大濃度等，分析反應(yīng)特征可知反應(yīng)正向進(jìn)行且反應(yīng)速率增大的只有升溫平衡向吸熱反應(yīng)進(jìn)行，平衡正向進(jìn)行反應(yīng)速率增大；
a．反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，升高溫度，反應(yīng)速率增大，平衡正向進(jìn)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(jìn)行，反應(yīng)速率增大，但平衡體系中H₂百分含量不一定增大，故b錯(cuò)誤；
c．加入催化劑，改變反應(yīng)速率不改變化學(xué)平衡，反應(yīng)速率增大，氫氣百分含量不變，故c錯(cuò)誤；
d．縮小容器的體積，增大了壓強(qiáng)，平衡向著逆向移動(dòng)，氫氣百分含量減小，故d錯(cuò)誤；
利用反應(yīng)②，將CO進(jìn)一步轉(zhuǎn)化，可提高H₂產(chǎn)量，若：2mol CO和H₂的混合氣體（CO的體積分?jǐn)?shù)為20%）中 CO為：2mol×20%=0.4mol，H₂的物質(zhì)的量為：2mol-0.4mol=1.6mol，與H₂O反應(yīng)，得到2.2mol CO、CO₂和H₂的混合氣體，該反應(yīng)前后氣體體積不變，增加的部分應(yīng)該是起始的水蒸氣的物質(zhì)的量為：2.2mol-2mol=0.2mol，
設(shè)轉(zhuǎn)化的一氧化碳的物質(zhì)的量為x，依據(jù)化學(xué)平衡三段式列式可得：
            CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）
起始量（mol） 0.4  0.2+x      0      1.6
變化量（mol） x       x       x       x
平衡量（mol）0.4-x   0.2      x      x+1.6
則：0.4-x+x+x+1.6=2.2，
x=0.2
則CO轉(zhuǎn)化率為：

0.2mol

0.4mol

×100%=50%
故答案為：a；50%；
（2）依據(jù)反應(yīng)：N₂+3H₂=2NH₃ △V
               1  3   2    2
        平衡體積       V    V 
即反應(yīng)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(shè)平衡混合氣體體積為100，氨氣為體積42，則反應(yīng)前氣體體積：100+42=142，氮?dú)夂蜌錃獍凑?：3混合，氫氣體積為：142×

3

4

=106.5，
依據(jù)化學(xué)方程式計(jì)算反應(yīng)的氫氣體積為：42×

3

2

=63，
平衡狀態(tài)時(shí)氫氣體積為：106.5-63=35.5-21=43.5，
則氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)為：

43.5

100

×100%=43.5%；
故答案為：43.5%；
（3）分析流程合成氨放熱通過Ⅳ熱交換器加熱反應(yīng)混合氣體，使反應(yīng)達(dá)到所需溫度，提高合成氨原料總轉(zhuǎn)化率，依據(jù)平衡移動(dòng)原理分析，分離出氨氣促進(jìn)平衡正向進(jìn)行，把平衡混合氣體中氮?dú)夂蜌錃庵匦卵�環(huán)使用，提高原理利用率，
故答案為：Ⅳ；對(duì)原料氣加壓，分離液氨后，未反應(yīng)的N2、H2循環(huán)使用．

點(diǎn)評(píng)：本題考查了化學(xué)平衡影響因素、化學(xué)平衡的計(jì)算，題目難度中等，注意化學(xué)平衡的計(jì)算方法，明確化學(xué)平衡及其影響因素，試題培養(yǎng)了學(xué)生的分析、理解能力及化學(xué)計(jì)算能力．