Question

4．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）△H＜0．一種工業合成氨的簡易流程圖如下：

完成下列填空：
（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．NH₄HS的電子式是，寫出再生反應的化學方程式：2NH₄HS+O₂$\frac{\underline{\;一定條件\;}}{\;}$2NH₃•H₂O+2S；NH₃的沸點高于H₂S，是因為NH₃分子之間存在著一種叫分子間作用的作用力．
（2）室溫下，0.1mol•L^-1的氯化銨溶液和0.1mol•L^-1的硫酸氫銨溶液，酸性更強的是硫酸氫銨，其原因硫酸氫銨中的硫氫根離子第二步電離程度K_i2=1.2×10^-2，非常的大，大于銨根離子水解產生的酸性．
（已知：HSO₄^-?H⁺+SO₄^2-K_a=1.2×10^-2    NH₃•H₂O?NH₄⁺+OH^-K_b=1.8×10^-5  ）
（3）圖甲表示500℃、60.0MPa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：14.5%（答案用小數表示，保留3位有效數字）．
（4）依據溫度對合成氨反應的影響，在圖乙坐標系中，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．

（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）Ⅳ．簡述本流程中提高合成氨原料總轉化率的方法：分離液氨，未反應的氮氣和氫氣循環使用（任寫2點）．

Answer 1

分析 （1）NH₄HS的電子式是；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，反應過程中生成一水合氨，依據原子守恒和電子守恒配平書寫化學方程式；NH₃分子間存在氫鍵，所以NH₃的沸點高于H₂S；
（2）硫酸氫銨中的硫氫根離子第二步電離程度K_i2=1.2×10^-2，非常的大，所以硫酸氫銨溶液的酸性強同濃度的氯化銨；
（3）依據反應特征N₂+3H₂=2NH₃，反應前后氣體體積減小為生成氨氣的體積，相同條件下，氣體體積比等于氣體物質的量之比，圖象分析可知平衡狀態氨氣體積含量42%，設平衡混合氣體體積為 100，氨氣為體積42，計算反應的氮氣，依據氣體體積比計算原混合氣體中氮氣體積，得到平衡狀態下氮氣體積分數；
（4）合成氨的反應是放熱反應，開始反應，氨氣物質的量增大，達到平衡狀態，繼續升溫，平衡逆向進行，氨氣物質的量減小，據此畫出變化圖象；
（5）依據反應是氣體體積減小的放熱反應，結合平衡移動原理分析判斷．

解答 解：（1）NH₄HS的電子式是；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，反應過程中生成一水合氨，依據原子守恒和電子守恒配平書寫化學方程式為：2NH₄HS+O₂$\frac{\underline{\;一定條件\;}}{\;}$2NH₃•H₂O+2S；
；NH₃分子間存在氫鍵，所以NH₃的沸點高于H₂S，
故答案為：；2NH₄HS+O₂$\frac{\underline{\;一定條件\;}}{\;}$2NH₃•H₂O+2S；分子間作用；
（2）硫酸氫銨中的硫氫根離子第二步電離程度K_i2=1.2×10^-2，非常的大，而氯化銨是水解呈酸性，所以硫酸氫銨溶液的酸性強同濃度的氯化銨，
故答案為：硫酸氫銨；硫酸氫銨中的硫氫根離子第二步電離程度K_i2=1.2×10^-2，非常的大，大于銨根離子水解產生的酸性；
（3）依據反應特征N₂+3H₂=2NH₃ △V
                            1     3     2       2
        平衡體積                   V          V
即反應前后氣體體積減小為生成氨氣的體積，相同條件下，氣體體積比等于氣體物質的量之比，圖象分析可知平衡狀態氨氣體積含量42%，設平衡混合氣體體積為100，氨氣為體積42，則反應前氣體體積100+42=142，氮氣和氫氣按照1：3混合，氮氣體積=142×$\frac{1}{4}$=35.5，依據化學方程式計算反應的氮氣體積為21，平衡狀態氮氣為35.5-21=14.5，則氮氣體積分數為14.5%；
故答案為：14.5%；
（4）合成氨的反應是放熱反應，開始反應，氨氣物質的量增大，達到平衡狀態，繼續升溫，平衡逆向進行，氨氣物質的量減小，畫出的圖象為：
，故答案為：；
（5）分析流程合成氨放熱通過Ⅳ熱交換器加熱反應混合氣體，使反應達到所需溫度，提高合成氨原料總轉化率，依據平衡移動原理分析，分離出氨氣促進平衡正向進行，把平衡混合氣體中氮氣和氫氣重新循環使用，提高原理利用率；
故答案為：Ⅳ；分離液氨，未反應的氮氣和氫氣循環使用．

點評 本題考查了化學平衡影響因素分析，平衡計算應用，注意反應特征的計算應用，圖象繪制，掌握基礎是關鍵，題目難度較大．