Question

合成氨反应原理为：N₂（g）+3H₂（g）?2NH₃（g）△H=-92.4kJ?mol^-1一种工业合成氨的简易流程图如图1所示：

（1）步骤Ⅱ中制氢气原理如下：
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
对于反应①，一定可以提高平衡体系中H₂百分含量，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．缩小容器的体积
利用反应②，将CO进一步转化，可提高H₂产量．若2mol CO和H₂的混合气体（CO的体积分数为20%）与H₂O反应，得到2.2mol CO、CO₂和H₂的混合气体，则CO转化率为

 

．
（2）图2中表示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H₂的平衡体积分数：

 

．
（3）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）

 

．简述两点本流程中提高合成氨原料总转化率的方法：

 

．

Answer 1

考点：化学平衡的计算,化学反应速率的影响因素

专题：化学平衡专题

分析：（1）反应①是气体体积增大的吸热反应，一定可以提高平衡体系中H₂百分含量，说明平衡正向进行，又能加快反应速率，说明影响反应速率的条件可以是升温、加压、增大浓度等，分析反应特征可知反应正向进行且反应速率增大的只有升温平衡向吸热反应进行，平衡正向进行反应速率增大，依据平衡移动原理和影响反应速率因素分析判断；依据化学平衡三段式列式计算，根据转化率的表达式计算；
（2）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，计算反应的氢气，依据气体体积比计算原混合气体中氢气体积，得到平衡状态下氢气的体积分数；
（3）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）反应①CH₄（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+3H₂（g）△H=+206.4 kJ?mol^-1，是气体体积增大的吸热反应，一定可以提高平衡体系中H₂百分含量，说明平衡正向进行，又能加快反应速率，说明影响反应速率的条件可以是升温、加压、增大浓度等，分析反应特征可知反应正向进行且反应速率增大的只有升温平衡向吸热反应进行，平衡正向进行反应速率增大；
a．反应是吸热反应，升高温度，反应速率增大，平衡正向进行，平衡体系中H₂百分含量增大，故a正确；
b．增大水蒸气浓度，平衡正向进行，反应速率增大，但平衡体系中H₂百分含量不一定增大，故b错误；
c．加入催化剂，改变反应速率不改变化学平衡，反应速率增大，氢气百分含量不变，故c错误；
d．缩小容器的体积，增大了压强，平衡向着逆向移动，氢气百分含量减小，故d错误；
利用反应②，将CO进一步转化，可提高H₂产量，若：2mol CO和H₂的混合气体（CO的体积分数为20%）中 CO为：2mol×20%=0.4mol，H₂的物质的量为：2mol-0.4mol=1.6mol，与H₂O反应，得到2.2mol CO、CO₂和H₂的混合气体，该反应前后气体体积不变，增加的部分应该是起始的水蒸气的物质的量为：2.2mol-2mol=0.2mol，
设转化的一氧化碳的物质的量为x，依据化学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
变化量（mol） x       x       x       x
平衡量（mol）0.4-x   0.2      x      x+1.6
则：0.4-x+x+x+1.6=2.2，
x=0.2
则CO转化率为：

0.2mol

0.4mol

×100%=50%
故答案为：a；50%；
（2）依据反应：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，氢气体积为：142×

3

4

=106.5，
依据化学方程式计算反应的氢气体积为：42×

3

2

=63，
平衡状态时氢气体积为：106.5-63=35.5-21=43.5，
则氮气体积分数为：

43.5

100

×100%=43.5%；
故答案为：43.5%；
（3）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；对原料气加压，分离液氨后，未反应的N2、H2循环使用．

点评：本题考查了化学平衡影响因素、化学平衡的计算，题目难度中等，注意化学平衡的计算方法，明确化学平衡及其影响因素，试题培养了学生的分析、理解能力及化学计算能力．