Question

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)　ΔH＝－92.4 kJ·mol^－1。

一种工业合成氨的简式流程图如下：

(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，写出再生反应的化学方程式：________________________________________________________________________。

(2)步骤Ⅱ中制氢气的原理如下：

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

对于反应①，一定可以提高平衡体系中H₂的百分含量，又能加快反应速率的措施是____________。

a．升高温度　b．增大水蒸气浓度　c．加入催化剂　d．降低压强

利用反应②，将CO进一步转化，可提高H₂的产量。若1 mol CO和H₂的混合气体(CO的体积分数为20%)与H₂O反应，得到1.18 mol CO、CO₂和H₂的混合气体，则CO的转化率为____________。

(3)图(a)表示500 ℃、60.0 MPa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：____________。

(4)依据温度对合成氨反应的影响，在图(b)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。

　

(a)　　　　　　　　　(b)

(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)________。简述本流程中提高合成氨原料总转化率的方法：________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

Answer 1

(1)2NH₄HS＋O₂2NH₃·H₂O＋2S↓

(2)a　90%

(3)14.5%

(4)

(5)Ⅳ　对原料气加压；分离液氨后，未反应的N₂、H₂循环使用

[解析] (1)由题意可知为空气中的O₂将负二价硫氧化为硫单质，根据电子守恒将方程式配平即可。(2)反应①为气体物质的量增大的吸热反应，降低压强使平衡右移，但反应速率减小，d错；催化剂不能改变反应限度，即不能改变H₂的百分含量，c错；增大水蒸气浓度虽可使反应速率增大以及平衡右移，但产物H₂的百分含量却减小，b错；升高温度反应速率增大，且平衡正向移动，H₂的百分含量增大，a对。CO与H₂的混合气体与水蒸气的反应中，反应体系中的气体的物质的量不变，而1 molCO与H₂的混合气体参加反应生成1.18 mol混合气，说明有0.18 mol 水蒸气参加反应，则根据方程式②可知参加反应的CO也为0.18 mol，则其转化率为×100%＝90%。

(3)由图中看出当N₂与H₂物质的量比为1∶3时，NH₃的平衡体积分数最大，为42%。设平衡时转化的N₂的物质的量为x mol，由三段式：

　　　　　N₂＋3H₂2NH₃

起始(mol):  1  3  0

转化(mol):  x  3x  2x

平衡(mol):  1－x  3－ 3x  2x

×100%＝42%，则x＝0.59

则平衡时N₂的体积分数为×100%＝14.5%。(4)作图时要注意开始时NH₃物质的量不断增多，是因为反应正向进行(反应未达平衡)，达到一定程度后反应达到平衡而此时温度继续升高，平衡逆向移动，NH₃的物质的量减小。(5)热交换器可以使需要加热的物质得到加热，还可以使需要冷却的物质得到冷却，能充分利用能量。合成氨反应为气体物质的量减小的反应，加压利于反应正向进行；此外，循环利用可反复利用原料，提高原料利用率。