Question

5．重慶有豐富的天然氣資源．以天然氣為原料合成氨的主要步驟如圖1所示（圖中某些轉化步驟及生成物未列出），請填寫下列空白：

（1）已知2mol甲烷與水蒸氣在t℃、p kPa時，完全反應生成一氧化碳和氫氣（合成氣），吸收了akJ熱量，該反應的熱化學方程式是CH₄（g）+H₂O （g）═CO（g）+3H₂（g）△H=+$\frac{a}{2}$ kJ/mol．
（2）如圖1中X為N₂，Y為H₂（填化學式）；常用K₂CO₃溶液吸收分離出的CO₂，其離子方程式為CO₃^-+CO₂+H₂O=2HCO₃^-
（3）在合成氨工業中，常采取的措施之一是：將生成的氨從混合氣體中及時分離出來．請運用化學平衡的觀點說明采取該措施的理由：減小生成物濃度，促進平衡正向移動．
（4）聯合制堿法中，合成氨產生的NH₃與CO₂通入飽和食鹽水最終可制得純堿，如圖2所示
①應先向食鹽水通足量NH₃氣體（寫化學式，后同）；副產品Z為NH₄Cl，可用作氮肥；W為CO₂．
②若生產 Na₂CO₃ 5.3噸，理論上至少可制得副產品Z5.35噸．

Answer 1

分析 水蒸氣和甲烷生成一氧化碳和氫氣，一氧化碳和氫氣氣體通過水蒸氣轉化為二氧化碳和氫氣，利用空氣制備氮氣，氫氣和氮氣合成氨，分離出氨氣促進平衡正向進行，提高氨氣的產率，循環使用氮氣和氫氣的混合氣體，提高原料利用率；
在聯合制堿法中，合成氨產生的NH₃與CO₂通入飽和食鹽水，發生反應NH₃+CO₂+NaCl+H₂O=NH₄Cl+NaHCO₃，過濾得到碳酸氫鈉晶體，濾液為副產品氯化銨溶液，碳酸氫鈉分解最終可制得純堿，氯化銨可以提純后制的氮肥，
（1）2mol甲烷和0.5mol水蒸氣完全反應生成一氧化碳和氫氣（合成氣），吸收了a kJ熱量，則反應物各1mol完全反應吸收$\frac{a}{2}$KJ熱量，結合熱化學方程式書寫方法寫出熱化學方程式；
（2）依據分析可知，合成氨是氮氣和氫氣在催化劑作用下高溫高壓反應生成氨氣，用K₂CO₃溶液吸收分離出的CO₂生成碳酸氫鈉；
（3）將生成的氨從混合氣體中及時分離出來，促進平衡正向進行，增大氨氣的產量；
（4）①二氧化碳在水溶液中溶解度小，先通氨氣，使溶液呈堿性，有利于二氧化碳的溶解，反應的副產品氯化銨可作農業生產的化肥；
②反應的化學方程式為：NH₃+CO₂+NaCl+H₂O=NH₄Cl+NaHCO₃↓，2NaHCO₃$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Na₂CO₃+CO₂↑+H₂O，依據定量關系計算副產品氯化銨的質量．

解答 解：（1）2mol甲烷和0.5mol水蒸氣完全反應生成一氧化碳和氫氣（合成氣），吸收了a kJ熱量，則反應物各1mol完全反應吸收$\frac{a}{2}$KJ熱量，結合熱化學方程式書寫方法寫出熱化學方程式：CH₄（g）+H₂O （g）═CO（g）+3H₂（g）△H=+1/2a  kJ/mol，
故答案為：CH₄（g）+H₂O （g）═CO（g）+3H₂（g）△H=+$\frac{a}{2}$ kJ/mol；  
（2）依據分析可知，合成氨是氮氣和氫氣在催化劑作用下高溫高壓反應生成氨氣，圖1中X為N₂，Y為H₂，用K₂CO₃溶液吸收分離出的CO₂生成碳酸氫鈉，反應的離子方程式為：CO₃^-+CO₂+H₂O=2HCO₃^-，
故答案為：N₂；H₂； CO₃^-+CO₂+H₂O=2HCO₃^-；
（3）將生成的氨從混合氣體中及時分離出來，減少生成物的濃度促進平衡正向進行，增大氨氣的產量，
故答案為：減小生成物濃度，促進平衡正向移動； 
（4）①二氧化碳在水溶液中溶解度小，先通氨氣使溶液呈堿性，有利于二氧化碳的溶解，反應的化學方程式為：NH₃+CO₂+NaCl+H₂O=NH₄Cl+NaHCO₃，聯合制堿法中，合成氨產生的NH₃與CO₂通入飽和食鹽水最終可制得純堿，副產品氯化銨可作農業生產的化肥，W為碳酸氫鈉分解生成的二氧化碳氣體，通入飽和食鹽水循環使用，
故答案為：NH₃，NH₄Cl，氮肥，CO₂；
②NH₃+CO₂+NaCl+H₂O=NH₄Cl+NaHCO₃↓，2NaHCO₃$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Na₂CO₃+CO₂↑+H₂O，
得到    2NH₄Cl～Na₂CO₃
    2×53.5      106
      m            5.3t
m=5.35t
故答案為：5.35．

點評 本題考查了學生對工藝流程的理解，熱化學方程式，物質的分離等，難度中等，關鍵是掌握整個制備流程原理，要求學生要有扎實的基礎知識和靈活應用知識解決問題的能力．