Question

18．如圖是工業(yè)上以天然氣、空氣為原料合成氨的一種工藝流程如圖1：

（1）脫硫反應(yīng)第一步是利用Fe（OH）₃除去H₂S，該反應(yīng)的化學(xué)方程式是3H₂S+2Fe（OH）₃=Fe₂S₃+6H₂O．常溫下，F(xiàn)e（OH）₃在水中達(dá)到溶解平衡時，c（Fe³⁺）=2.6×10^-18mol•L^-1．（已知：K_sp[Fe（OH）₃]=2.6×10^-39）
（2）脫硫反應(yīng)第二步是利用空氣氧化回收硫，該反應(yīng)中氧化劑與還原劑的物質(zhì)的量之比為3：2．下列試劑中也適宜作此反應(yīng)的氧化劑的是BD．
A．Cl₂B．H₂O₂      C．KMnO₄       D．O₃
（3）流程中Fe（OH）₃和K₂CO₃可循環(huán)利用，你認(rèn)為流程中還可循環(huán)利用的物質(zhì)有N₂ 和H₂（填化學(xué)式）．
（4）合成氨反應(yīng)的化學(xué)方程式為：高溫高壓催化劑N₂+3H₂═2NH₃，原料氣中V（N₂）：V（H₂）=1：3．平衡混合物中氨的含量與溫度、壓強的關(guān)系如圖2所示．A、B、C三點對應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)K_A、K_B、K_C的關(guān)系是K_A＞K_B=K_C（用“＞”、“＜”或“=”表示）．A點H₂的平衡轉(zhuǎn)化率為66.7%．
（5）工業(yè)上合成氨通常在反應(yīng)未達(dá)到平衡時就將反應(yīng)混合物移出合成塔，原因是能提高單位時間內(nèi)氨的產(chǎn)量．

Answer 1

分析 （1）根據(jù)流程利用Fe（OH）₃與H₂S反應(yīng)生成硫化鐵和水從而除去H₂S；根據(jù)K_sp[Fe（OH）₃]=2.6×10^-39計算c（Fe³⁺）；
（2）由流程利用空氣中氧氣氧化硫化鐵生成硫單質(zhì)，根據(jù)得失電子守恒計算氧化劑與還原劑的物質(zhì)的量之比；根據(jù)回收硫，則選用的氧化劑不能有毒也不能引入新的雜質(zhì)判斷；
（3）合成氨氣的反應(yīng)為可逆反應(yīng)，不能完全轉(zhuǎn)化；
（4）平衡常數(shù)只隨溫度變化，圖象變化趨勢可知隨溫度升高，氨氣含量減小，說明反應(yīng)逆向進行，所以溫度越高平衡常數(shù)越��；
依據(jù)圖象可知A點氨氣平衡含量為50%，其中V（N₂）：V（H₂）=1：3，據(jù)此計算此時平衡時H₂物質(zhì)的量，再用轉(zhuǎn)化率=$\frac{轉(zhuǎn)化量}{起始量}$×100%計算；
（5）分離生成物促進平衡正向進行提高生產(chǎn)效率．

解答 解：（1）由流程可知，利用Fe（OH）₃與H₂S反應(yīng)生成硫化鐵和水從而除去H₂S，反應(yīng)方程式為：3H₂S+2Fe（OH）₃=Fe₂S₃+6H₂O；
又K_sp[Fe（OH）₃]=2.6×10^-39，所以Fe（OH）₃在水中達(dá)到溶解平衡時，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；
故答案為：3H₂S+2Fe（OH）₃=Fe₂S₃+6H₂O；2.6×10^-18；
（2）由流程利用空氣中氧氣氧化硫化鐵生成硫單質(zhì)，氧化劑氧氣得4e^-，還原劑硫化鐵失2×3=6e^-，根據(jù)得失電子守恒，則氧化劑與還原劑的物質(zhì)的量之比3：2；因為氯氣有毒，KMnO₄ 會引入新的雜質(zhì)，所以適宜作此反應(yīng)的氧化劑的是H₂O₂和O₃；
故答案為：3：2；BD；
（3）因為合成氨氣的反應(yīng)為可逆反應(yīng)，不能完全轉(zhuǎn)化，所以除流程中Fe（OH）₃和K₂CO₃可循環(huán)利用之外，還可循環(huán)利用的物質(zhì)有N₂ 和H₂，故答案為：N₂ 和H₂；
（4）因為平衡常數(shù)只隨溫度變化，圖象變化趨勢可知隨溫度升高，氨氣含量減小，說明反應(yīng)逆向進行，所以溫度越高平衡常數(shù)越小，又A、B、C三點溫度為
B=C＞A，所以A、B、C三點對應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)K_A、K_B、K_C的關(guān)系是K_A＞K_B=K_C；
V（N₂）：V（H₂）=1：3，又A點氨氣平衡含量為50%，所以設(shè)氮氣轉(zhuǎn)化為x，
        N₂+3H₂═2NH₃，
開始   1      3       0
轉(zhuǎn)化  x      3x      2x
平衡1-x    3-3x    2x
則$\frac{2x}{1-x+3-3x+2x}$×100%=50%，解得x=$\frac{2}{3}$，所以H₂的轉(zhuǎn)化率=$\frac{轉(zhuǎn)化量}{起始量}$×100%=$\frac{2}{3}$×100%=66.7%；
故答案為：K_A＞K_B=K_C；66.7%；
（5）工業(yè)上合成氨通常在反應(yīng)未達(dá)到平衡時就將反應(yīng)混合物移出合成塔，促進平衡正向進行，能提高單位時間內(nèi)氨的產(chǎn)量，
故答案為：能提高單位時間內(nèi)氨的產(chǎn)量．

點評 本題以天然氣、空氣為原料合成氨為信息考查混合物分離提純綜合應(yīng)用，涉及方程式的書寫、化學(xué)平衡知識等，綜合性較強，題目難度中等．