Question

【題目】硫酸是一種重要的基本化工產(chǎn)品，接觸法制硫酸生產(chǎn)中的關(guān)鍵工序是SO2的催化氧化：SO2(g)+O2(g)SO3(g) ΔH=98 kJ·mol1。回答下列問題：

(1)釩催化劑參與反應(yīng)的能量變化如圖所示，V2O5(s)與SO2(g)反應(yīng)生成VOSO4(s)和V2O4(s)的熱化學(xué)方程式為：_________。

(2)當(dāng)SO2(g)、O2(g)和N2(g)起始的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)分別為7.5%、10.5%和82%時，在0.5MPa、2.5MPa和5.0MPa壓強(qiáng)下，SO2平衡轉(zhuǎn)化率α 隨溫度的變化如圖所示。反應(yīng)在5.0MPa、550℃時的α=__________，判斷的依據(jù)是__________。影響α的因素有__________。

(3)將組成(物質(zhì)的量分?jǐn)?shù))為2m% SO2(g)、m% O2(g)和q% N2(g)的氣體通入反應(yīng)器，在溫度t、壓強(qiáng)p條件下進(jìn)行反應(yīng)。平衡時，若SO2轉(zhuǎn)化率為α，則SO3壓強(qiáng)為___________，平衡常數(shù)Kp=___________(以分壓表示，分壓=總壓×物質(zhì)的量分?jǐn)?shù))。

(4)研究表明，SO2催化氧化的反應(yīng)速率方程為：v=k(1)0.8(1nα')。式中：k為反應(yīng)速率常數(shù)，隨溫度t升高而增大；α為SO2平衡轉(zhuǎn)化率，α'為某時刻SO2轉(zhuǎn)化率，n為常數(shù)。在α'=0.90時，將一系列溫度下的k、α值代入上述速率方程，得到v~t曲線，如圖所示。

曲線上v最大值所對應(yīng)溫度稱為該α'下反應(yīng)的最適宜溫度tm。t<tm時，v逐漸提高；t>tm后，v逐漸下降。原因是__________________________。

Answer 1

【答案】2V2O5(s)+ 2SO2(g) 2VOSO4(s)+ V2O4(s) H= -351 kJmol-1 0.975 該反應(yīng)氣體分子數(shù)減少，增大壓強(qiáng)，α提高。所以，該反應(yīng)在550℃、壓強(qiáng)為5.0MPa＞2.5MPa＝p２的，所以p1=5.0MPa 反應(yīng)物（N2和O2）的起始濃度（組成）、溫度、壓強(qiáng) 升高溫度，k增大使v逐漸提高，但α降低使v逐漸下降。當(dāng)t＜tm，k增大對v的提高大于α引起的降低；當(dāng)t＞tm，k增大對v的提高小于α引起的降低

【解析】

根據(jù)蓋斯定律，用已知的熱化學(xué)方程式通過一定的數(shù)學(xué)運(yùn)算，可以求出目標(biāo)反應(yīng)的反應(yīng)熱；根據(jù)壓強(qiáng)對化學(xué)平衡的影響，分析圖中數(shù)據(jù)找到所需要的數(shù)據(jù)；根據(jù)恒壓條件下總壓不變，求出各組分的分壓，進(jìn)一步可以求出平衡常數(shù)；根據(jù)題中所給的速率公式，分析溫度對速率常數(shù)及二氧化硫的轉(zhuǎn)化率的影響，進(jìn)一步分析對速率的影響。

(1)由題中信息可知：

①SO2(g)+O2(g)SO3(g) H= -98kJmol-1

②V2O4(s)+ SO3(g)V2O5(s)+ SO2(g) H2= -24kJmol-1

③V2O4(s)+ 2SO3(g)2VOSO4(s) H1= -399kJmol-1

根據(jù)蓋斯定律可知，③-②2得2V2O5(s)+ 2SO2(g) 2VOSO4(s)+ V2O4(s)，則H= H1-2H2=( -399kJmol-1)-( -24kJmol-1)2= -351kJmol-1，所以該反應(yīng)的熱化學(xué)方程式為：2V2O5(s)+ 2SO2(g) 2VOSO4(s)+ V2O4(s) H= -351 kJmol-1；

(2) SO2(g)+O2(g)SO3(g)，該反應(yīng)是一個氣體分子數(shù)減少的放熱反應(yīng)，故增大壓強(qiáng)可以使化學(xué)平衡向正反應(yīng)方向移動。因此，在相同溫度下，壓強(qiáng)越大，SO2的平衡轉(zhuǎn)化率越大，所以，該反應(yīng)在550℃、壓強(qiáng)為5.0MPa條件下，SO2的平衡轉(zhuǎn)化率一定高于相同溫度下、壓強(qiáng)為2.5MPa的，因此，p1=5.0MPa，由圖中數(shù)據(jù)可知，α=0.975。影響α的因素就是影響化學(xué)平衡移動的因素，主要有反應(yīng)物（N2和O2）的濃度、溫度、壓強(qiáng)等。

(3)假設(shè)原氣體的物質(zhì)的量為100mol，則SO2、O2和N2的物質(zhì)的量分別為2m mol、m mol和q mol，2m+m+q=3m+q=100，SO2的平衡轉(zhuǎn)化率為α，則有下列關(guān)系：

平衡時氣體的總物質(zhì)的量為n(總)= 2m(1-α)+m(1-α)+2mαmol+q mol，則SO3的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為。該反應(yīng)在恒壓容器中進(jìn)行，因此，SO3的分壓p(SO3)=，p(SO2)=，p(O2)=，在該條件下，SO2(g)+ O2(g)2SO3(g) 的Kp=。

(4) 由于該反應(yīng)是放熱反應(yīng)，溫度升高后α降低。由題中信息可知，v=，升高溫度，k增大使v逐漸提高，但α降低使v逐漸下降。當(dāng)t＜tm，k增大對v的提高大于α引起的降低；當(dāng)t＞tm，k增大對v的提高小于α引起的降低。