Question

18．如图是工业上以天然气、空气为原料合成氨的一种工艺流程如图1：

（1）脱硫反应第一步是利用Fe（OH）₃除去H₂S，该反应的化学方程式是3H₂S+2Fe（OH）₃=Fe₂S₃+6H₂O．常温下，Fe（OH）₃在水中达到溶解平衡时，c（Fe³⁺）=2.6×10^-18mol•L^-1．（已知：K_sp[Fe（OH）₃]=2.6×10^-39）
（2）脱硫反应第二步是利用空气氧化回收硫，该反应中氧化剂与还原剂的物质的量之比为3：2．下列试剂中也适宜作此反应的氧化剂的是BD．
A．Cl₂B．H₂O₂      C．KMnO₄       D．O₃
（3）流程中Fe（OH）₃和K₂CO₃可循环利用，你认为流程中还可循环利用的物质有N₂ 和H₂（填化学式）．
（4）合成氨反应的化学方程式为：高温高压催化剂N₂+3H₂═2NH₃，原料气中V（N₂）：V（H₂）=1：3．平衡混合物中氨的含量与温度、压强的关系如图2所示．A、B、C三点对应的化学平衡常数K_A、K_B、K_C的关系是K_A＞K_B=K_C（用“＞”、“＜”或“=”表示）．A点H₂的平衡转化率为66.7%．
（5）工业上合成氨通常在反应未达到平衡时就将反应混合物移出合成塔，原因是能提高单位时间内氨的产量．

Answer 1

分析 （1）根据流程利用Fe（OH）₃与H₂S反应生成硫化铁和水从而除去H₂S；根据K_sp[Fe（OH）₃]=2.6×10^-39计算c（Fe³⁺）；
（2）由流程利用空气中氧气氧化硫化铁生成硫单质，根据得失电子守恒计算氧化剂与还原剂的物质的量之比；根据回收硫，则选用的氧化剂不能有毒也不能引入新的杂质判断；
（3）合成氨气的反应为可逆反应，不能完全转化；
（4）平衡常数只随温度变化，图象变化趋势可知随温度升高，氨气含量减小，说明反应逆向进行，所以温度越高平衡常数越小；
依据图象可知A点氨气平衡含量为50%，其中V（N₂）：V（H₂）=1：3，据此计算此时平衡时H₂物质的量，再用转化率=$\frac{转化量}{起始量}$×100%计算；
（5）分离生成物促进平衡正向进行提高生产效率．

解答 解：（1）由流程可知，利用Fe（OH）₃与H₂S反应生成硫化铁和水从而除去H₂S，反应方程式为：3H₂S+2Fe（OH）₃=Fe₂S₃+6H₂O；
又K_sp[Fe（OH）₃]=2.6×10^-39，所以Fe（OH）₃在水中达到溶解平衡时，c（Fe³⁺）=$\frac{K{\;}_{sp}[Fe（OH）{\;}_{3}]}{c（OH{\;}^{-}）{\;}^{3}}$=$\frac{2.6×10{\;}^{-39}}{（1×10{\;}^{-7}）{\;}^{3}}$mol•L^-1=2.6×10^-18 mol•L^-1；
故答案为：3H₂S+2Fe（OH）₃=Fe₂S₃+6H₂O；2.6×10^-18；
（2）由流程利用空气中氧气氧化硫化铁生成硫单质，氧化剂氧气得4e^-，还原剂硫化铁失2×3=6e^-，根据得失电子守恒，则氧化剂与还原剂的物质的量之比3：2；因为氯气有毒，KMnO₄ 会引入新的杂质，所以适宜作此反应的氧化剂的是H₂O₂和O₃；
故答案为：3：2；BD；
（3）因为合成氨气的反应为可逆反应，不能完全转化，所以除流程中Fe（OH）₃和K₂CO₃可循环利用之外，还可循环利用的物质有N₂ 和H₂，故答案为：N₂ 和H₂；
（4）因为平衡常数只随温度变化，图象变化趋势可知随温度升高，氨气含量减小，说明反应逆向进行，所以温度越高平衡常数越小，又A、B、C三点温度为
B=C＞A，所以A、B、C三点对应的化学平衡常数K_A、K_B、K_C的关系是K_A＞K_B=K_C；
V（N₂）：V（H₂）=1：3，又A点氨气平衡含量为50%，所以设氮气转化为x，
        N₂+3H₂═2NH₃，
开始   1      3       0
转化  x      3x      2x
平衡1-x    3-3x    2x
则$\frac{2x}{1-x+3-3x+2x}$×100%=50%，解得x=$\frac{2}{3}$，所以H₂的转化率=$\frac{转化量}{起始量}$×100%=$\frac{2}{3}$×100%=66.7%；
故答案为：K_A＞K_B=K_C；66.7%；
（5）工业上合成氨通常在反应未达到平衡时就将反应混合物移出合成塔，促进平衡正向进行，能提高单位时间内氨的产量，
故答案为：能提高单位时间内氨的产量．

点评 本题以天然气、空气为原料合成氨为信息考查混合物分离提纯综合应用，涉及方程式的书写、化学平衡知识等，综合性较强，题目难度中等．