Question

合成氨是人類科學(xué)技術(shù)上的一項(xiàng)重大突破，其反應(yīng)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(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，寫出再生反應(yīng)的化學(xué)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(duì)于反應(yīng)①，一定可以提高平衡體系中H₂的百分含量，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．降低壓強(qiáng)

利用反應(yīng)②，將CO進(jìn)一步轉(zhuǎn)化，可提高H₂的產(chǎn)量。若1 mol CO和H₂的混合氣體(CO的體積分?jǐn)?shù)為20%)與H₂O反應(yīng)，得到1.18 mol CO、CO₂和H₂的混合氣體，則CO的轉(zhuǎn)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(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N₂的平衡體積分?jǐn)?shù)：____________。

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

　

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

________________________________________________________________________。

Answer 1

(1)2NH₄HS＋O₂2NH₃·H₂O＋2S↓

(2)a　90%

(3)14.5%

(4)

(5)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

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

(3)由圖中看出當(dāng)N₂與H₂物質(zhì)的量比為1∶3時(shí)，NH₃的平衡體積分?jǐn)?shù)最大，為42%。設(shè)平衡時(shí)轉(zhuǎn)化的N₂的物質(zhì)的量為x mol，由三段式：

　　　　　N₂＋3H₂2NH₃

起始(mol):  1  3  0

轉(zhuǎn)化(mol):  x  3x  2x

平衡(mol):  1－x  3－ 3x  2x

×100%＝42%，則x＝0.59

則平衡時(shí)N₂的體積分?jǐn)?shù)為×100%＝14.5%。(4)作圖時(shí)要注意開始時(shí)NH₃物質(zhì)的量不斷增多，是因?yàn)榉磻?yīng)正向進(jìn)行(反應(yīng)未達(dá)平衡)，達(dá)到一定程度后反應(yīng)達(dá)到平衡而此時(shí)溫度繼續(xù)升高，平衡逆向移動(dòng)，NH₃的物質(zhì)的量減小。(5)熱交換器可以使需要加熱的物質(zhì)得到加熱，還可以使需要冷卻的物質(zhì)得到冷卻，能充分利用能量。合成氨反應(yīng)為氣體物質(zhì)的量減小的反應(yīng)，加壓利于反應(yīng)正向進(jìn)行；此外，循環(huán)利用可反復(fù)利用原料，提高原料利用率。