Question

4．硫酸是基礎(chǔ)化工的重要產(chǎn)品，硫酸的消費(fèi)量可作為衡量一個(gè)國(guó)家工業(yè)發(fā)展水平的標(biāo)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?jǐn)?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(diǎn)$\frac{n（S{O}_{2}）}{n（{O}_{2}）}$=2；y為D（填編號(hào)）．
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）Kp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(shí)，Kp與溫度（TK）的關(guān)系為lgKp=$\frac{4905.5}{T}$-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(guò)程為：
SO₂+V₂O₅?SO₃+V₂O₄    K₁
$\frac{1}{2}$O₂+V₂O₄?V₂O₅     K₂
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?jǐn)?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（數(shù)值均為氣體體積分?jǐn)?shù)）時(shí)，SO₂平衡轉(zhuǎn)化率與溫度、壓強(qiáng)的關(guān)系如圖3，則列式計(jì)算460℃、1.0atm下，SO₂ （g）+$\frac{1}{2}$O₂ （g）?SO₃ （g）的Kp=113atm^1/2（己知：各氣體的分壓=總壓×各氣體的體積分?jǐn)?shù)）．
（5）綜合第（3）、（4）題圖給信息，工業(yè)生產(chǎn)最適宜的溫度范圍為400～500℃，壓強(qiáng)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(qiáng)，對(duì)設(shè)備要求較高．

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(shí)三氧化硫的體積分?jǐn)?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(shuō)明平衡逆向移動(dòng)；
（3）①將方程式2（①+②）得2SO₂（g）+O₂（g）?2SO₃（g），據(jù)此計(jì)算化學(xué)平衡常數(shù)；
②催化劑通過(guò)降低反應(yīng)的活化能，活化分子百分?jǐn)?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?yàn)?mol、氧氣11mol、氮?dú)?2mol，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(qiáng)之比，
則反應(yīng)后壓強(qiáng)=$\frac{0.21mol+7.605mol+6.79mol+82mol}{100mol}$×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=$\frac{p（SO{\;}_{3}）}{P（SO{\;}_{2}）×\sqrt{P（O{\;}_{2}）}}$；
（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(duì)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(shí)三氧化硫的體積分?jǐn)?shù)最大，b點(diǎn)三氧化硫體積分?jǐn)?shù)最大，此點(diǎn)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(cuò)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(cuò)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(cuò)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(shuō)明平衡逆向移動(dòng)，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(kuò)大2倍，平衡常數(shù)變?yōu)樵瓉?lái)的平方，所以該反應(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(guò)降低反應(yīng)的活化能，活化分子百分?jǐn)?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?jǐn)?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?yàn)?mol、氧氣11mol、氮?dú)?2mol，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(qiáng)之比，
則反應(yīng)后壓強(qiáng)=$\frac{0.21mol+7.605mol+6.79mol+82mol}{100mol}$×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=$\frac{p（SO{\;}_{3}）}{P（SO{\;}_{2}）×\sqrt{P（O{\;}_{2}）}}$=$\frac{\frac{6.79mol}{96.605mol}×0.9579atm}{\frac{0.21mol}{96.605mol}×0.9579atm×\sqrt{\frac{7.605mol}{96.605mol}×0.9579atm}}$=113atm^1/2，
故答案為：113atm^1/2；
（5）根據(jù)圖知，在400～500℃時(shí)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(qiáng)，對(duì)設(shè)備要求較高，故答案為：400～500℃； 常壓下SO₂的平衡轉(zhuǎn)化率已經(jīng)很大，再增大壓強(qiáng)，對(duì)設(shè)備要求較高．

點(diǎn)評(píng) 本題考查化學(xué)平衡計(jì)算、圖象分析，為高頻考點(diǎn)，側(cè)重考查學(xué)生分析推斷及計(jì)算、知識(shí)遷移能力，根據(jù)濃度化學(xué)平衡常數(shù)計(jì)算方法計(jì)算壓強(qiáng)化學(xué)平衡常數(shù)，計(jì)算量較大，難度中等．