Question

18．硫酸是基礎(chǔ)化工的重要產(chǎn)品，硫酸的消費量可作為衡量一個國家工業(yè)發(fā)展水平的標志．生產(chǎn)硫酸的主要反應(yīng)為：SO₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）SO₃（g）
（1）恒溫恒容下，平衡體系中SO₃的體積分數(shù)[ϕ（SO₃）]和y與SO₂、O₂的物質(zhì)的量之比$\frac{n（S{O}_{2}）}{n（{O}_{2}）}$的關(guān)系如圖1：

則b點$\frac{n（S{O}_{2}）}{n（{O}_{2}）}$=2；y為D（填編號）．
A．平衡常數(shù)   B．SO₃的平衡產(chǎn)率    C．O₂的平衡轉(zhuǎn)化率      D．SO₂的平衡轉(zhuǎn)化率．
（2）K_p是以各氣體平衡分壓代替濃度平衡常數(shù)Kc中各氣體的濃度的平衡常數(shù)．在400～650℃時，K_p與溫度（T/K）的關(guān)系為lgK_p=-4.6455，則在此條件下SO₂轉(zhuǎn)化為SO₃反應(yīng)的△H＜0（填“＞0”或“＜0”）．
（3）①該反應(yīng)的催化劑為V₂O₅，其催化反應(yīng)過程為：
SO₂+V₂O₅?SO₃+V₂O₄K₁ $\frac{1}{2}$O₂+V₂O₄?V₂O₅K₂
則在相同溫度下2SO₂（g）+O₂（g）2SO₃（g）的平衡常數(shù)K=（K₁×K₂）²（以含K₁、K₂的代數(shù)式表示）．
②V₂O₅加快反應(yīng)速率的原因是降低反應(yīng)的活化能，活化分子百分數(shù)增大，有效碰撞幾率提高，其催化活性與溫度的關(guān)系如圖2：
（4）在7.0% SO₂、11% O₂、82% N₂時，SO₂平衡轉(zhuǎn)化率與溫度、壓強的關(guān)系如圖3：
則460℃、1.0atm下，SO₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）SO₃（g）的K_p=113$at{m}^{\frac{1}{2}}$ （各氣體的分壓=總壓×各氣體的體積分數(shù)）．（已知：=0.28）
（5）壓強通常采用常壓的原因是常壓下SO₂的平衡轉(zhuǎn)化率已經(jīng)很大，再增大壓強，對設(shè)備要求較高，綜合第（3）、（4）題圖給信息，工業(yè)生產(chǎn)最適宜的溫度范圍400℃-500℃，你認為最主要的原因是C．
A．原料轉(zhuǎn)化率最大     B．已達到反應(yīng)裝置所能承受的最高溫度    C．催化劑的活性最高．

Answer 1

分析 （1）當(dāng)二氧化硫的量與氧氣的物質(zhì)的量之比等于系數(shù)之比時三氧化硫的體積分數(shù)最大；圖2表示隨著二氧化硫量的增加而逐漸減小的量；
（2）根據(jù)lgKp=$\frac{4905.5}{T}$-4.6455知，升高溫度平衡常數(shù)減小，說明平衡逆向移動；
（3）①將方程式2（①+②）得2SO₂（g）+O₂（g）?2SO₃（g），據(jù)此計算化學(xué)平衡常數(shù)；
②催化劑通過降低反應(yīng)的活化能，活化分子百分數(shù)增大，有效碰撞幾率提高，從而增大反應(yīng)速率；
（4）混合氣體中7.0% SO₂、11% O₂、82% N₂，假設(shè)有混合氣體100mol，則二氧化硫為7mol、氧氣11mol、氮氣82mol，460℃、1.0atm下二氧化硫轉(zhuǎn)化率為97%，則參加反應(yīng)的n（SO₂）=7mol×97%=6.79mol，
剩余的n（SO₂）=7mol×3%=0.21mol，
剩余的n（O₂）=11mol-$\frac{1}{2}$×6.79mol=7.605mol，生成的三氧化硫物質(zhì)的量=6.79mol，反應(yīng)后混合氣體總物質(zhì)的量=0.21mol+7.605mol+6.79mol+82mol=96.605mol，
反應(yīng)前后物質(zhì)的量之比等于其壓強之比，
則反應(yīng)后壓強=$\frac{0.21mol+7.605mol+6.79mol+82mol}{100mol}$×1atm=0.9579atm，
二氧化硫的分壓=$\frac{0.21mol}{96.605mol}$×0.9579atm，
氧氣分壓=$\frac{7.605mol}{96.605mol}$×0.9579atm，
三氧化硫分壓=$\frac{6.79mol}{96.605mol}$×0.9579atm，
化學(xué)平衡常數(shù)Kp=$\frac{P（S{O}_{3}）}{P（S{O}_{2}）×\sqrt{P（{O}_{2}）}}$；
（5）根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)既要考慮轉(zhuǎn)化率又要考慮反應(yīng)速率還要考慮對設(shè)備的要求等，據(jù)此分析．

解答 解：（1）當(dāng)二氧化硫的量與氧氣的物質(zhì)的量之比等于系數(shù)之比時三氧化硫的體積分數(shù)最大，b點三氧化硫體積分數(shù)最大，此點處n（SO₂）/n（O₂）=2：1；
由圖象可知，n（SO₂）/n（O₂）越大，y值越小，
A．平衡常數(shù)僅與溫度有關(guān)，所以n（SO₂）/n（O₂）變化，平衡常數(shù)不變，不符合圖象，故錯誤；
B．n（SO₂）/n（O₂）越大，二氧化硫物質(zhì)的量越大，則SO₃的平衡產(chǎn)率越大，不符合圖象，故錯誤；
C．n（SO₂）/n（O₂）越大，二氧化硫物質(zhì)的量越大，則O₂的轉(zhuǎn)化率越大，不符合圖象，故錯誤；
D．n（SO₂）/n（O₂）越大，二氧化硫物質(zhì)的量越大，則SO₂的平衡轉(zhuǎn)化率越小，符合圖象，故正確；
故答案為：2；D；
（2）根據(jù)lgKp=$\frac{4905.5}{T}$-4.6455知，升高溫度平衡常數(shù)減小，說明平衡逆向移動，正反應(yīng)是放熱反應(yīng)，焓變小于0，
故答案為：＜0；
（3）①將方程式2（①+②）得2SO₂（g）+O₂（g）?2SO₃（g），方程式相加平衡常數(shù)相乘，方程式擴大2倍，平衡常數(shù)變?yōu)樵瓉淼钠椒�，所以該反�?yīng)化學(xué)平衡常數(shù)K等于（K₁×K₂）²，故答案為：（K₁×K₂）²；
②催化劑通過降低反應(yīng)的活化能，活化分子百分數(shù)增大，有效碰撞幾率提高，從而增大反應(yīng)速率，
故答案為：降低反應(yīng)的活化能，活化分子百分數(shù)增大，有效碰撞幾率提高；
（4）混合氣體中7.0% SO₂、11% O₂、82% N₂，假設(shè)有混合氣體100mol，則二氧化硫為7mol、氧氣11mol、氮氣82mol，460℃、1.0atm下二氧化硫轉(zhuǎn)化率為97%，則參加反應(yīng)的n（SO₂）=7mol×97%=6.79mol，
剩余的n（SO₂）=7mol×3%=0.21mol，
剩余的n（O₂）=11mol-$\frac{1}{2}$×6.79mol=7.605mol，生成的三氧化硫物質(zhì)的量=6.79mol，反應(yīng)后混合氣體總物質(zhì)的量=0.21mol+7.605mol+6.79mol+82mol=96.605mol，
反應(yīng)前后物質(zhì)的量之比等于其壓強之比，
則反應(yīng)后壓強=$\frac{0.21mol+7.605mol+6.79mol+82mol}{100mol}$×1atm=0.9579atm，
二氧化硫的分壓=$\frac{0.21mol}{96.605mol}$×0.9579atm，
氧氣分壓=$\frac{7.605mol}{96.605mol}$×0.9579atm，
三氧化硫分壓=$\frac{6.79mol}{96.605mol}$×0.9579atm，
化學(xué)平衡常數(shù)Kp=$\frac{P（S{O}_{3}）}{P（S{O}_{2}）×\sqrt{P（{O}_{2}）}}$=$\frac{\frac{6.79mol}{96.605mol}×0.9579atm}{\frac{0.21mol}{96.605mol}×0.9579atm×\sqrt{\frac{7.605mol}{96.605mol}×0.9579atm}}$=113$at{m}^{\frac{1}{2}}$，
故答案為：113$at{m}^{\frac{1}{2}}$；
（5）根據(jù)圖知，在400～500℃時二氧化硫轉(zhuǎn)化率較大，反應(yīng)速率快，所以工業(yè)生產(chǎn)最適宜的溫度范圍為400～500℃，又常壓下SO₂的平衡轉(zhuǎn)化率已經(jīng)很大，再增大壓強，對設(shè)備要求較高，工業(yè)生產(chǎn)最適宜的溫度范圍400℃-500℃，此時催化劑的活性最高，
故答案為：常壓下SO₂的平衡轉(zhuǎn)化率已經(jīng)很大，再增大壓強，對設(shè)備要求較高，C．

點評 本題考查化學(xué)平衡計算、圖象分析，為高頻考點，側(cè)重考查學(xué)生分析推斷及計算、知識遷移能力，根據(jù)濃度化學(xué)平衡常數(shù)計算方法計算壓強化學(xué)平衡常數(shù)，計算量較大，題目難度中等．