Question

9．硫及其化合物廣泛分布于自然界中，硫酸工業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有極其重要的地位，運(yùn)用相關(guān)原理回答下列問(wèn)題：
（1）硫酸生產(chǎn)中，根據(jù)化學(xué)平衡原理來(lái)確定的條件或措施有CD（填序號(hào)）．
A．礦石加入沸騰護(hù)之前先粉碎    B．使用V₂O₅作催化劑
C．接觸室中不使用很高的溫度    D．凈化后爐氣中要有過(guò)量的空氣
E．接觸氧化在常壓下進(jìn)行
（2）若實(shí)驗(yàn)室在537℃、1.01×10⁵Pa和催化劑存在條件下，向某密閉容器中充入2mol SO₂和2mol O₂，此時(shí)體積為10L，在溫度和壓強(qiáng)不變條件下20分鐘后反應(yīng)達(dá)到平衡，SO₃體積分?jǐn)?shù)為0.5．
①該溫度下，從反應(yīng)開(kāi)始至平衡時(shí)氧氣的平均反應(yīng)速率是4×10^-3mol/（L•min）；
②該溫度下，反應(yīng)2SO₂（g）+O₂（g）?2SO₃（g）的平衡常數(shù)的值為106.7．
（3）工業(yè)上冶煉銅主要以黃銅礦（主要成分CuFeS₂）為原料，經(jīng)過(guò)多歩反應(yīng)將銅元素還原為銅．其中有一步為：2Cu₂S+3O₂（g）═2Cu₂O+2SO₂．試從反應(yīng)的自發(fā)性判斷此反應(yīng)的△H＜0 （填“＞”、“=”或“＜”）．
（4）用電解的方法將硫化鈉溶液氧化為多硫化物的研究具有重要的實(shí)際意義，將硫化物轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗔蚧�物是電解法處理硫化氫廢氣的一個(gè)重要內(nèi)容．如圖，是電解產(chǎn)生多硫化物的實(shí)驗(yàn)裝置：
①已知陽(yáng)極的反應(yīng)為：（x+1）S^2-═S_x+S^2-+2xe^-，則陰極的電極反應(yīng)式是：2H₂O+2e^-═2OH^-+H₂↑．當(dāng)反應(yīng)轉(zhuǎn)移xmol電子時(shí)，產(chǎn)生的氣體體積為11.2xL（標(biāo)準(zhǔn)狀況下）．
②將Na₂S•9H₂O溶于水中配制硫化物溶液時(shí)，通常是在氮?dú)鈿夥障氯芙猓�其原因是（用離子方程式表示）：2S^2-+O₂+2H₂O=2S↓+4OH^-．溶液中離子濃度由大到小的順序c（Na⁺）＞c（S^2-）＞c（OH^-）＞c（HS^-）＞c（H⁺）．

Answer 1

分析 （1）化學(xué)平衡的適用范圍是可逆反應(yīng)，在工業(yè)接觸法制硫酸2SO₂+O_2?2SO₃為可逆反應(yīng)，化學(xué)平衡移動(dòng)的條件有：濃度、溫度、壓強(qiáng)．催化劑V₂O₅的作用是提高反應(yīng)速率，溫度控制在450℃左右，是根據(jù)使催化劑的活性最強(qiáng)確定，壓強(qiáng)采用常壓．因此根據(jù)化學(xué)平衡移動(dòng)原理來(lái)確定的條件只有濃度；
（2）結(jié)合化學(xué)平衡三行計(jì)算列式，設(shè)反應(yīng)的氧氣濃度為x，
                            2SO₂（g）+O₂（g）?2SO₃（g）
起始量（mol/L）    0.2             0.2             0
變化量（mol/L）   2x                 x                2x
平衡量（mol/L）0.2-2x          0.2-x              2x
在溫度和壓強(qiáng)不變條件下20分鐘后反應(yīng)達(dá)到平衡，SO₃體積分?jǐn)?shù)為0.5，$\frac{2x}{0.4-x}$=0.5
x=0.08mol/L
①該溫度下，從反應(yīng)開(kāi)始至平衡時(shí)氧氣的平均反應(yīng)速率=$\frac{△c}{△t}$；
②平衡常數(shù)K=$\frac{生成物平衡濃度冪次方乘積}{反應(yīng)物平衡濃度冪次方乘積}$；
（3）反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行的判斷依據(jù)是△H-T△S＜0；
（4）①根據(jù)電解池的工作原理：陰極上發(fā)生得電子的還原反應(yīng)，陽(yáng)極上發(fā)生失去電子的氧化反應(yīng)來(lái)回答；
②硫離子具有強(qiáng)的還原性，易被氧氣氧化為硫單質(zhì)，據(jù)此來(lái)回答．

解答 解：（1）硫酸生產(chǎn)中，第二步：SO₃的制取反應(yīng)原理為：2SO₂+O₂ $\frac{\underline{催化劑}}{△}$2SO₃，該反應(yīng)為可逆反應(yīng)，根據(jù)化學(xué)平衡原理為了提高SO₂的轉(zhuǎn)化率，通常采用增大O₂濃度的方法來(lái)達(dá)到使SO₂盡可能多的轉(zhuǎn)化為SO₃的目的．
A．礦石加入沸騰爐之前先粉碎，目的是為了增大黃鐵礦與空氣的接觸面，加快4FeS₂+11O₂ $\frac{\underline{催化劑}}{△}$2Fe₂O₃+8SO₂ 反應(yīng)速率，而不是從2SO₂+O₂ $\frac{\underline{催化劑}}{△}$2SO₃ 反應(yīng)中化學(xué)平衡角度考慮，故A不正確；
B．使用V₂O₅作催化劑，催化2SO₂+O₂ $\frac{\underline{催化劑}}{△}$2SO₃ 反應(yīng)，只能加快該反應(yīng)的速率，不能使平衡移動(dòng)，故B不正確；
C．接觸室中催化轉(zhuǎn)化器使用適宜的溫度，目的是使催化劑活性最強(qiáng)，使反應(yīng)速率最快，而實(shí)際上升高溫度，會(huì)促使2SO₂+O₂ $\frac{\underline{催化劑}}{△}$2SO₃ 平衡向吸熱方向移動(dòng)，即逆向移動(dòng)，不利于提高SO₂的轉(zhuǎn)化率，接觸室中不使用很高的溫度，故C正確；
D．從沸騰爐中出來(lái)的氣體成分為SO₂、O₂、N₂，經(jīng)過(guò)凈化后，進(jìn)入接觸室，爐氣中要有過(guò)量的空氣，即增大O₂濃度，會(huì)促使2SO₂+O₂ $\frac{\underline{催化劑}}{△}$2SO₃ 平衡正向移動(dòng)，有利于提高SO₂的轉(zhuǎn)化率，故D正確；
E．接觸室中：2SO₂+O₂ $\frac{\underline{催化劑}}{△}$2SO₃，增大壓強(qiáng)促使平衡正向移動(dòng)（即氣體總體積減小的方向），減小壓強(qiáng)促使平衡逆向移動(dòng)（即氣體總體積增大的方向）．在常壓下，不利于平衡正向移動(dòng)，不利于提高SO₂的轉(zhuǎn)化率．對(duì)于該化學(xué)平衡，壓強(qiáng)的增大，促使平衡正向移動(dòng)，效果并不明顯，所以工業(yè)上直接采用常壓條件，而不采用高壓條件，故E不正確；
故答案為：CD；
（2）結(jié)合化學(xué)平衡三行計(jì)算列式，設(shè)反應(yīng)的氧氣濃度為x，
                            2SO₂（g）+O₂（g）?2SO₃（g）
起始量（mol/L）    0.2             0.2             0
變化量（mol/L）   2x                 x                2x
平衡量（mol/L）0.2-2x          0.2-x              2x
在溫度和壓強(qiáng)不變條件下20分鐘后反應(yīng)達(dá)到平衡，SO₃體積分?jǐn)?shù)為0.5，$\frac{2x}{0.4-x}$=0.5
x=0.08mol/L
①該溫度下，從反應(yīng)開(kāi)始至平衡時(shí)氧氣的平均反應(yīng)速率=$\frac{0.08mol/L}{20min}$=4×10^-3mol/（L•min），
故答案為：4×10^-3mol/（L•min）；
②該溫度下，反應(yīng)2SO₂（g）+O₂（g）?2SO₃（g）的平衡常數(shù)的值K=$\frac{（0.08×2）^{2}}{（0.2-2×0.08）^{2}×（0.2-0.08）}$=106.7，
故答案為：106.7；
（3）工業(yè)上冶煉銅主要以黃銅礦（主要成分CuFeS₂）為原料，經(jīng)過(guò)多歩反應(yīng)將銅元素還原為銅．其中有一步為：2Cu₂S+3O₂（g）═2Cu₂O+2SO₂．反應(yīng)△S＜0，滿足△H-T△S＜0，判斷此反應(yīng)的△H＜0，
故答案為：＜；
（4）①陰極上是陽(yáng)離子氫離子發(fā)生得電子的還原反應(yīng)，即2H₂O+2e^-═2OH^-+H₂↑，當(dāng)反應(yīng)轉(zhuǎn)移xmol電子時(shí)，產(chǎn)生的氣體0.5xmol，體積為0.5xmol×22.4L/mol=11.2xL，
故答案為：2H₂O+2e^-═2OH^-+H₂↑；  11.2xL；
②硫化鈉中的硫離子具有強(qiáng)的還原性，易被氧氣氧化為硫單質(zhì)，配制時(shí)要隔絕氧氣，可用氮?dú)鈿饬�，即�?S^2-+O₂+2H₂O=2S↓+4OH^-，硫化鈉溶液中硫離子為多元弱酸陰離子分步水解，溶液顯堿性，溶液中離子濃度大小為：c（Na⁺）＞c（S^2-）＞c（OH^-）＞c（HS^-）＞c（H⁺），
故答案為：2S^2-+O₂+2H₂O=2S↓+4OH^-；c（Na⁺）＞c（S^2-）＞c（OH^-）＞c（HS^-）＞c（H⁺）．

點(diǎn)評(píng) 本題綜合考查學(xué)生熱化學(xué)、電化學(xué)、化學(xué)反應(yīng)速率和平衡、離子濃度大小比較等方面的知識(shí)，注意知識(shí)的歸納和整理是解題關(guān)鍵，題目難度中等．