Question

9．工業(yè)制硫酸時，利用催化氧化反應(yīng)將SO₂轉(zhuǎn)化為SO₃是一個的關(guān)鍵步驟．
（1）在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，將a L由SO₂和Cl₂組成的混合氣體通入200mL 0.1mol/L的Fe₂（SO₄）₃溶液中，充分反應(yīng)后，溶液的棕黃色變淺．向反應(yīng)后的溶液中加入足量的BaCl₂溶液，將所得沉淀過濾、洗滌、干燥后稱重，其質(zhì)量為23.3g．則混合氣體中SO₂的體積為0.896L，a的取值范圍為：1.344＜a＜1.792．
（2）某溫度下，SO₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）?SO₃（g）△H=-98kJ•mol^-1．開始時在100L的密閉容器中加入4.0
mol SO₂（g）和10.0mol O₂（g），當(dāng)反應(yīng)達(dá)到平衡時共放出熱量196kJ，該溫度下平衡常數(shù)K=3.33．
（3）一定條件下，向一帶活塞的密閉容器中充入2mol SO₂和1mol O₂，發(fā)生下列反應(yīng)：
2SO₂（g）+O₂（g）?2SO₃（g），達(dá)到平衡后改變下述條件，SO₂、O₂、SO₃氣體平衡濃度都比原來增大的是ACF（填字母）．
A．保持溫度和容器體積不變，充入2mol SO₃
B．保持溫度和容器體積不變，充入2mol N₂
C．保持溫度和容器體積不變，充入0.5mol SO₂和0.25mol O₂
D．保持溫度和容器內(nèi)壓強(qiáng)不變，充入1mol SO₃
E．升高溫度
F．移動活塞壓縮氣體
（4）常溫時，BaSO₄的K_sp=1.08×10^-10．現(xiàn)將等體積的BaCl₂溶液與2.0×10^-3mol/L的Na₂SO₄溶液混合．若要生成BaSO₄沉淀，BaCl₂溶液的最小濃度為2.16×10^-7mol/L．
（5）N₂O₅是一種新型硝化劑，其性質(zhì)和制備受到人們的關(guān)注．①一定溫度下，在恒容密閉容器中N₂O₅可發(fā)生下列反應(yīng)：2N₂O₅（g）?4NO₂（g）+O₂（g）△H＞0．
如表為反應(yīng)在T₁溫度下的部分實(shí)驗數(shù)據(jù)：

t/s	0	50	100
c（N2O5）/mol•L-1	5.0	3.5	2.4

則50s內(nèi)NO₂的平均生成速率為0.06mol•L^-1•s^-1．
②現(xiàn)以H₂、O₂、熔融鹽Na₂CO₃組成的燃料電池，采用電解法制備N₂O₅，裝置如圖所示，其中Y為CO₂．

寫出石墨I(xiàn)電極上發(fā)生反應(yīng)的電極反應(yīng)式H₂+CO₃^2--2e^-=CO₂+H₂O．

Answer 1

分析 （1）SO₂和Cl₂組成的混合氣體通入Fe₂（SO₄）₃溶液中，由于氯氣的氧化性強(qiáng)于鐵離子，故氯氣先與二氧化硫反應(yīng)：SO₂+Cl₂+2H₂O=2HCl+H₂SO₄，充分反應(yīng)后，溶液的棕黃色變淺，說明鐵離子氧化二氧化硫：2Fe³⁺+SO₂+H₂O=SO₄^2-+2Fe²⁺+2H⁺，二氧化硫完全反應(yīng)，反應(yīng)后的溶液足量的BaCl₂溶液，生成的23.3g沉淀為BaSO₄，根據(jù)硫元素守恒可知n（BaSO₄）=3n[Fe₂（SO₄）₃]+n（SO₂），據(jù)此計算n（SO₂），進(jìn)而是二氧化硫體積；
由于硫酸鐵氧化二氧化硫，根據(jù)方程式可知n（Cl₂）＜n（SO₂），若二氧化硫全部被氯氣氧化，此時氯氣物質(zhì)的量最大，混合氣體體積最大，根據(jù)反應(yīng)2Fe³⁺+SO₂+H₂O=SO₄^2-+2Fe²⁺+2H⁺可知，0.04mol鐵離子最多氧化0.02mol二氧化硫，剩余的0.02mol二氧化硫為氯氣氧化，此時混合氣體體積最��；
（2）根據(jù)反應(yīng)熱計算反應(yīng)的二氧化硫，再計算平衡時各組分物質(zhì)的量，代入K=$\frac{c（S{O}_{3}）}{c（S{O}_{2}）×\sqrt{c（{O}_{2}）}}$計算；
（3）A．保持溫度和容器體積不變，充入2mol SO₃，平衡向逆反應(yīng)移動，則SO₂、O₂、SO₃氣體平衡濃度都比原來增大；
B．保持溫度和容器體積不變，充入2mol N₂，反應(yīng)混合物各組分濃度不變，平衡不移動；
C．保持溫度和容器體積不變，充入0.5mol SO₂和0.25mol O₂，平衡向正反應(yīng)方向移動，則SO₂、O₂、SO₃氣體平衡濃度都比原來增大；
D．保持溫度和容器內(nèi)壓強(qiáng)不變，再充入1mol SO₃，等效為開始充入3mol SO₂和1.5mol O₂，為等效平衡，平衡時相同物質(zhì)的濃度相等；
E．升高溫度，平衡向逆反應(yīng)移動；
F．移動活塞壓縮氣體，體積減小，各物質(zhì)的濃度都增大；
（4）Na₂SO₄溶液的濃度為2×10^-3mol/L，等體積混合后溶液中c（CO₃^2-）=1×10^-3mol/L，根據(jù)Ksp=c（CO₃^2-）•c（Ba²⁺）計算混合溶液中c（Ba²⁺），原溶液BaCl₂溶液的最小濃度為混合溶液中c（Ba²⁺）的2倍；
（5）①根據(jù)v=$\frac{△c}{△t}$計算v（N₂O₅），再根據(jù)速率之比等于化學(xué)計量數(shù)之比計算v（NO₂）；
 ②本質(zhì)是氫氣燃燒生成水，石墨I(xiàn)為負(fù)極，由圖可知，氫氣失去電子，與碳酸根離子反應(yīng)生成二氧化碳與水．

解答 解：（1）SO₂和Cl₂組成的混合氣體通入Fe₂（SO₄）₃溶液中，由于氯氣的氧化性強(qiáng)于鐵離子，故氯氣先與二氧化硫反應(yīng)：SO₂+Cl₂+2H₂O=2HCl+H₂SO₄，充分反應(yīng)后，溶液的棕黃色變淺，說明鐵離子氧化二氧化硫：2Fe³⁺+SO₂+H₂O=SO₄^2-+2Fe²⁺+2H⁺，二氧化硫完全反應(yīng)，反應(yīng)后的溶液足量的BaCl₂溶液，生成的23.3g沉淀為BaSO₄，其物質(zhì)的量=$\frac{23.3g}{233g/mol}$=0.1mol，
根據(jù)硫元素守恒可知n（BaSO₄）=3n[Fe₂（SO₄）₃]+n（SO₂），故n（SO₂）=0.1mol-3×0.2L×0.1mol•L^-1=0.04mol，V（SO₂）=0.04mol×22.4L/mol=0.896L，
由于硫酸鐵氧化二氧化硫，根據(jù)方程式可知n（Cl₂）＜n（SO₂），若二氧化硫全部被氯氣氧化，此時氯氣物質(zhì)的量最大，故n（Cl₂）＜0.04mol，故混合氣體最大體積為：（0.04mol+0.04mol）×22.4L/mol=1.792L，根據(jù)反應(yīng)2Fe³⁺+SO₂+H₂O=SO₄^2-+2Fe²⁺+2H⁺可知，0.04mol鐵離子最多氧化0.02mol二氧化硫，剩余的0.02mol二氧化硫需要0.02mol氯氣氧化，所以氯氣的物質(zhì)的量最少為0.02mol，則混合氣體最小體積為：（0.04mol+0.02mol）×22.4L/mol=1.344L，故a的取值范圍為1.344＜a＜1.792，
故答案為：0.896；1.344＜a＜1.792；
（2）某溫度下，SO₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）?SO₃（g）△H=-98kJ•mol^-1．開始時在100L的密閉容器中加入4.0
mol SO₂（g）和10.0mol O₂（g），當(dāng)反應(yīng)達(dá)到平衡時共放出熱量196kJ，參加反應(yīng)的SO₂（g）為2mol，則：
           SO₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）?SO₃（g）
起始量（mol）：4      10       0
變化量（mol）：2      1        2
平衡量（mol）：2      9        2
平衡常數(shù)K=$\frac{c（S{O}_{3}）}{c（S{O}_{2}）×\sqrt{c（{O}_{2}）}}$=$\frac{\frac{2}{100}}{\frac{2}{100}×\sqrt{\frac{9}{100}}}$=3.33，
故答案為：3.33；
（3）A．保持溫度和容器體積不變，充入2mol SO₃，平衡向逆反應(yīng)移動，平衡常數(shù)不變，則SO₂、O₂、SO₃氣體平衡濃度都比原來增大，故A正確；
B．保持溫度和容器體積不變，充入2mol N₂，反應(yīng)混合物各組分濃度不變，平衡不移動，故B錯誤；
C．保持溫度和容器體積不變，充入0.5mol SO₂和0.25mol O₂，平衡向正反應(yīng)方向移動，則SO₂、O₂、SO₃氣體平衡濃度都比原來增大，故C正確；
D．保持溫度和容器內(nèi)壓強(qiáng)不變，再充入1mol SO₃，等效為開始充入3mol SO₂和1.5mol O₂，為等效平衡，平衡時相同物質(zhì)的濃度相等，故D錯誤；
E．升高溫度，平衡向逆反應(yīng)移動，SO₃的濃度減小，故E錯誤；
F．移動活塞壓縮氣體，體積減小，各物質(zhì)的濃度都增大，故F正確，
故選：ACF；
（4）Na₂SO₄溶液的濃度為2×10^-3mol/L，等體積混合后溶液中c（CO₃^2-）=1×10^-3mol/L，根據(jù)Ksp=c（CO₃^2-）•c（Ba²⁺）=1.08×10^-10可知，c（Ba²⁺）=$\frac{1.08×1{0}^{-10}}{1×1{0}^{-3}}$mol/L=1.08×10^-7mol/L，原溶液BaCl₂溶液的最小濃度為混合溶液中c（Ba²⁺）的2倍，故原溶液BaCl₂溶液的最小濃度為2×1.08×10^-7mol/L=2.16×10^-7mol/L，
故答案為：2.16×10^-7；
（5）①速率之比等于化學(xué)計量數(shù)之比，則v（NO₂）=2v（N₂O₅）=2×$\frac{（5-3.5）mol/L}{50s}$=0.06mol•L^-1•s^-1，
故答案為：0.06mol•L^-1•s^-1；
②本質(zhì)是氫氣燃燒生成水，石墨I(xiàn)為負(fù)極，由圖可知，氫氣失去電子，與碳酸根離子反應(yīng)生成二氧化碳與水，電極反應(yīng)式為：H₂+CO₃^2--2e^-=CO₂+H₂O，
故答案為：H₂+CO₃^2--2e^-=CO₂+H₂O．

點(diǎn)評 本題考查化學(xué)平衡計算與影響因素、混合物計算、溶度積有關(guān)計算、原電池等，是對學(xué)生綜合能力的考查，難度較大．