Question

4．合成氨是人类科学技术上的一项重大突破，其反应原理为：N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H＜0．一种工业合成氨的简易流程图如下：

完成下列填空：
（1）天然气中的H₂S杂质常用氨水吸收，产物为NH₄HS．一定条件下向NH₄HS溶液中通入空气，得到单质硫并使吸收液再生．NH₄HS的电子式是，写出再生反应的化学方程式：2NH₄HS+O₂$\frac{\underline{\;一定条件\;}}{\;}$2NH₃•H₂O+2S；NH₃的沸点高于H₂S，是因为NH₃分子之间存在着一种叫分子间作用的作用力．
（2）室温下，0.1mol•L^-1的氯化铵溶液和0.1mol•L^-1的硫酸氢铵溶液，酸性更强的是硫酸氢铵，其原因硫酸氢铵中的硫氢根离子第二步电离程度K_i2=1.2×10^-2，非常的大，大于铵根离子水解产生的酸性．
（已知：HSO₄^-?H⁺+SO₄^2-K_a=1.2×10^-2    NH₃•H₂O?NH₄⁺+OH^-K_b=1.8×10^-5  ）
（3）图甲表示500℃、60.0MPa条件下，原料气投料比与平衡时NH₃体积分数的关系．根据图中a点数据计算N₂的平衡体积分数：14.5%（答案用小数表示，保留3位有效数字）．
（4）依据温度对合成氨反应的影响，在图乙坐标系中，画出一定条件下的密闭容器内，从通入原料气开始，随温度不断升高，NH₃物质的量变化的曲线示意图．

（5）上述流程图中，使合成氨放出的能量得到充分利用的主要步骤是（填序号）Ⅳ．简述本流程中提高合成氨原料总转化率的方法：分离液氨，未反应的氮气和氢气循环使用（任写2点）．

Answer 1

分析 （1）NH₄HS的电子式是；H₂S杂质常用氨水吸收，产物为NH₄HS，一定条件下向NH₄HS溶液中通入空气，得到单质硫并使吸收液再生，反应过程中生成一水合氨，依据原子守恒和电子守恒配平书写化学方程式；NH₃分子间存在氢键，所以NH₃的沸点高于H₂S；
（2）硫酸氢铵中的硫氢根离子第二步电离程度K_i2=1.2×10^-2，非常的大，所以硫酸氢铵溶液的酸性强同浓度的氯化铵；
（3）依据反应特征N₂+3H₂=2NH₃，反应前后气体体积减小为生成氨气的体积，相同条件下，气体体积比等于气体物质的量之比，图象分析可知平衡状态氨气体积含量42%，设平衡混合气体体积为 100，氨气为体积42，计算反应的氮气，依据气体体积比计算原混合气体中氮气体积，得到平衡状态下氮气体积分数；
（4）合成氨的反应是放热反应，开始反应，氨气物质的量增大，达到平衡状态，继续升温，平衡逆向进行，氨气物质的量减小，据此画出变化图象；
（5）依据反应是气体体积减小的放热反应，结合平衡移动原理分析判断．

解答 解：（1）NH₄HS的电子式是；H₂S杂质常用氨水吸收，产物为NH₄HS，一定条件下向NH₄HS溶液中通入空气，得到单质硫并使吸收液再生，反应过程中生成一水合氨，依据原子守恒和电子守恒配平书写化学方程式为：2NH₄HS+O₂$\frac{\underline{\;一定条件\;}}{\;}$2NH₃•H₂O+2S；
；NH₃分子间存在氢键，所以NH₃的沸点高于H₂S，
故答案为：；2NH₄HS+O₂$\frac{\underline{\;一定条件\;}}{\;}$2NH₃•H₂O+2S；分子间作用；
（2）硫酸氢铵中的硫氢根离子第二步电离程度K_i2=1.2×10^-2，非常的大，而氯化铵是水解呈酸性，所以硫酸氢铵溶液的酸性强同浓度的氯化铵，
故答案为：硫酸氢铵；硫酸氢铵中的硫氢根离子第二步电离程度K_i2=1.2×10^-2，非常的大，大于铵根离子水解产生的酸性；
（3）依据反应特征N₂+3H₂=2NH₃ △V
                            1     3     2       2
        平衡体积                   V          V
即反应前后气体体积减小为生成氨气的体积，相同条件下，气体体积比等于气体物质的量之比，图象分析可知平衡状态氨气体积含量42%，设平衡混合气体体积为100，氨气为体积42，则反应前气体体积100+42=142，氮气和氢气按照1：3混合，氮气体积=142×$\frac{1}{4}$=35.5，依据化学方程式计算反应的氮气体积为21，平衡状态氮气为35.5-21=14.5，则氮气体积分数为14.5%；
故答案为：14.5%；
（4）合成氨的反应是放热反应，开始反应，氨气物质的量增大，达到平衡状态，继续升温，平衡逆向进行，氨气物质的量减小，画出的图象为：
，故答案为：；
（5）分析流程合成氨放热通过Ⅳ热交换器加热反应混合气体，使反应达到所需温度，提高合成氨原料总转化率，依据平衡移动原理分析，分离出氨气促进平衡正向进行，把平衡混合气体中氮气和氢气重新循环使用，提高原理利用率；
故答案为：Ⅳ；分离液氨，未反应的氮气和氢气循环使用．

点评 本题考查了化学平衡影响因素分析，平衡计算应用，注意反应特征的计算应用，图象绘制，掌握基础是关键，题目难度较大．