問題詳情:
硫*是一種重要的基本化工產品,接觸法制硫*生產中的關鍵工序是SO2的催化氧化:SO2(g)+O2(g)SO3(g) ΔH=−98 kJ·mol−1。回答下列問題:
(1)釩催化劑參與反應的能量變化如圖所示,V2O5(s)與SO2(g)反應生成VOSO4(s)和V2O4(s)的熱化學方程式爲:_________。
(2)當SO2(g)、O2(g)和N2(g)起始的物質的量分數分別爲7.5%、10.5%和82%時,在0.5MPa、2.5MPa和5.0MPa壓強下,SO2平衡轉化率α 隨溫度的變化如圖所示。反應在5.0MPa、550℃時的α=__________,判斷的依據是__________。影響α的因素有__________。
(3)將組成(物質的量分數)爲2m% SO2(g)、m% O2(g)和q% N2(g)的氣體通入反應器,在溫度t、壓強p條件下進行反應。平衡時,若SO2轉化率爲α,則SO3壓強爲___________,平衡常數Kp=___________(以分壓表示,分壓=總壓×物質的量分數)。
(4)研究表明,SO2催化氧化的反應速率方程爲:v=k(−1)0.8(1−nα')。式中:k爲反應速率常數,隨溫度t升高而增大;α爲SO2平衡轉化率,α'爲某時刻SO2轉化率,n爲常數。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最大值所對應溫度稱爲該α'下反應的最適宜溫度tm。t<tm時,v逐漸提高;t>tm後,v逐漸下降。原因是__________________________。
【回答】
(1). 2V2O5(s)+ 2SO2(g)⇌ 2VOSO4(s)+ V2O4(s) ∆H= -351 kJ∙mol-1 (2). 0.975 (3). 該反應氣體分子數減少,增大壓強,α提高。所以,該反應在550℃、壓強爲5.0MPa>2.5MPa=p2的,所以p1=5.0MPa (4). 反應物(N2和O2)的起始濃度(組成)、溫度、壓強 (5). (6). (7). 升高溫度,k增大使v逐漸提高,但α降低使v逐漸下降。當t<tm,k增大對v的提高大於α引起的降低;當t>tm,k增大對v的提高小於α引起的降低
【解析】
【分析】
根據蓋斯定律,用已知的熱化學方程式透過一定的數學運算,可以求出目標反應的反應熱;根據壓強對化學平衡的影響,分析圖中數據找到所需要的數據;根據恆壓條件下總壓不變,求出各組分的分壓,進一步可以求出平衡常數;根據題中所給的速率公式,分析溫度對速率常數及二氧化硫的轉化率的影響,進一步分析對速率的影響。
【詳解】(1)由題中資訊可知:
①SO2(g)+O2(g)⇌SO3(g) ∆H= -98kJ∙mol-1
②V2O4(s)+ SO3(g)⇌V2O5(s)+ SO2(g) ∆H2= -24kJ∙mol-1
③V2O4(s)+ 2SO3(g)⇌2VOSO4(s) ∆H1= -399kJ∙mol-1
根據蓋斯定律可知,③-②´2得2V2O5(s)+ 2SO2(g)⇌ 2VOSO4(s)+ V2O4(s),則∆H= ∆H1-2∆H2=( -399kJ∙mol-1)-( -24kJ∙mol-1)´2= -351kJ∙mol-1,所以該反應的熱化學方程式爲:2V2O5(s)+ 2SO2(g)⇌ 2VOSO4(s)+ V2O4(s) ∆H= -351 kJ∙mol-1;
(2) SO2(g)+O2(g)⇌SO3(g),該反應是一個氣體分子數減少的放熱反應,故增大壓強可以使化學平衡向正反應方向移動。因此,在相同溫度下,壓強越大,SO2的平衡轉化率越大,所以,該反應在550℃、壓強爲5.0MPa條件下,SO2的平衡轉化率一定高於相同溫度下、壓強爲2.5MPa的,因此,p1=5.0MPa,由圖中數據可知,α=0.975。影響α的因素就是影響化學平衡移動的因素,主要有反應物(N2和O2)的濃度、溫度、壓強等。
(3)假設原氣體的物質的量爲100mol,則SO2、O2和N2的物質的量分別爲2m mol、m mol和q mol,2m+m+q=3m+q=100,SO2的平衡轉化率爲α,則有下列關係:
平衡時氣體的總物質的量爲n(總)= 2m(1-α)+m(1-α)+2mαmol+q mol,則SO3的物質的量分數爲。該反應在恆壓容器中進行,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) 由於該反應是放熱反應,溫度升高後α降低。由題中資訊可知,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t<tm,k增大對v的提高大於α引起的降低;當t>tm,k增大對v的提高小於α引起的降低。
【點睛】本題有關化學平衡常數的計算是一個難點,尤其題中給的都是字母型數據,這無疑增大了難度。這也是對考生的意志的考驗,只要巧妙假設、小心求算,還是可以得到正確結果的,畢竟有關化學平衡的計算是一種熟悉的題型。本題的另一難點是最後一問,考查的是速率公式與化學平衡的綜合理解,需要明確化學反應速率與速率常數及平衡轉化率之間的函數關係,才能作出正確的解答。所以,耐心和細心纔是考好的保*。
知識點:高考試題
題型:綜合題