Question

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)　ΔH＝－92.4 kJ·mol^－1。

一種工業(yè)合成氨的簡式流程圖如下：

(1)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：________________________________________________________________________。

(2)步驟Ⅱ中制氫氣的原理如下：

①CH₄(g)＋H₂O(g)CO(g)＋3H₂(g)

ΔH＝＋206.4  kJ·mol^－1

②CO(g)＋H₂O(g)CO₂(g)＋H₂(g)

ΔH＝－41.2 kJ·mol^－1

對于反應①，一定可以提高平衡體系中H₂的百分含量，又能加快反應速率的措施是____________。

a．升高溫度　b．增大水蒸氣濃度　c．加入催化劑　d．降低壓強

利用反應②，將CO進一步轉化，可提高H₂的產量。若1 mol CO和H₂的混合氣體(CO的體積分數為20%)與H₂O反應，得到1.18 mol CO、CO₂和H₂的混合氣體，則CO的轉化率為____________。

(3)圖(a)表示500 ℃、60.0 MPa條件下，原料氣投料比與平衡時NH₃體積分數的關系。根據圖中a點數據計算N₂的平衡體積分數：____________。

(4)依據溫度對合成氨反應的影響，在圖(b)坐標系中，畫出一定條件下的密閉容器內，從通入原料氣開始，隨溫度不斷升高，NH₃物質的量變化的曲線示意圖。

　

(a)　　　　　　　　　(b)

(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)________。簡述本流程中提高合成氨原料總轉化率的方法：________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

Answer 1

(1)2NH₄HS＋O₂2NH₃·H₂O＋2S↓

(2)a　90%

(3)14.5%

(4)

(5)Ⅳ　對原料氣加壓；分離液氨后，未反應的N₂、H₂循環(huán)使用

[解析] (1)由題意可知為空氣中的O₂將負二價硫氧化為硫單質，根據電子守恒將方程式配平即可。(2)反應①為氣體物質的量增大的吸熱反應，降低壓強使平衡右移，但反應速率減小，d錯；催化劑不能改變反應限度，即不能改變H₂的百分含量，c錯；增大水蒸氣濃度雖可使反應速率增大以及平衡右移，但產物H₂的百分含量卻減小，b錯；升高溫度反應速率增大，且平衡正向移動，H₂的百分含量增大，a對。CO與H₂的混合氣體與水蒸氣的反應中，反應體系中的氣體的物質的量不變，而1 molCO與H₂的混合氣體參加反應生成1.18 mol混合氣，說明有0.18 mol 水蒸氣參加反應，則根據方程式②可知參加反應的CO也為0.18 mol，則其轉化率為×100%＝90%。

(3)由圖中看出當N₂與H₂物質的量比為1∶3時，NH₃的平衡體積分數最大，為42%。設平衡時轉化的N₂的物質的量為x mol，由三段式：

　　　　　N₂＋3H₂2NH₃

起始(mol):  1  3  0

轉化(mol):  x  3x  2x

平衡(mol):  1－x  3－ 3x  2x

×100%＝42%，則x＝0.59

則平衡時N₂的體積分數為×100%＝14.5%。(4)作圖時要注意開始時NH₃物質的量不斷增多，是因為反應正向進行(反應未達平衡)，達到一定程度后反應達到平衡而此時溫度繼續(xù)升高，平衡逆向移動，NH₃的物質的量減小。(5)熱交換器可以使需要加熱的物質得到加熱，還可以使需要冷卻的物質得到冷卻，能充分利用能量。合成氨反應為氣體物質的量減小的反應，加壓利于反應正向進行；此外，循環(huán)利用可反復利用原料，提高原料利用率。