Question

1．已知：工業(yè)上制硫酸在接觸室中發(fā)生的反應為：2SO₂（g）+O₂（g）?2SO₃（g），其正反應是一個放熱反應．
（1）①相同條件下，2mol SO₂和1mol O₂所具有的能量＞（填“＞”、“＜”或“=”）2mol SO₃具有的能量；
②在相同條件下，若斷開2mol SO₂、1molO₂和2mol SO₃中的化學鍵時，吸收的能量分別為Q₁、Q₂、Q₃，則Q₁+Q₂＜Q₃（填“＞”、“＜”或“=”）；
③在一定條件下，當該反應生成2molSO₃時，放出197kJ的熱量，該條件下，如果將3mol SO₂和1mol O₂混合，使其充分反應，放出的熱量＜197kJ（填“＞”、“＜”或“=”），反應達到平衡后，n（SO₂）+n（SO₃）=3mol．
（2）科研人員設想用如圖所示裝置生產(chǎn)硫酸，

①通入O₂的b極是原電池正極（填“正”或“負”）；
②電解質(zhì)溶液中陰離子向a極移動（填“a”或“b”）；
③負極反應式為2SO₂-4e^-+4H₂O=2SO₄^2-+8H⁺．
（3）將一定量的SO₂和含0.7mol氧氣的空氣（忽略CO₂）放入0.5L密閉容器內(nèi)，550℃時，在催化劑作用下充分發(fā)生反應．測得n（O₂）隨時間的變化如下表

時間/s	0	1	2	3	4	5
n（O2）/mol	0.7	0.4	0.3	x	x	x

反應達到5s后，將容器中的混合氣體通過過量NaOH溶液，氣體體積減少了22.4L（此體積為標準狀況下的體積）；再將剩余氣體通過焦性沒食子酸的堿性溶液吸收O₂，氣體的體積又減少了5.6L（此體積為標準狀況下的體積）．
請回答下列問題：
①用O₂表示從1～2s內(nèi)該反應的平均反應速率為0.2mol•L^-1•s^-1；
②該反應達到平衡時，SO₂的轉化率為90%（用百分數(shù)表示）；
③該反應達到平衡時，O₂的體積分數(shù)是6.2%（用百分數(shù)表示）；
④若反應在絕熱密閉系統(tǒng)中進行時，其余條件不變，反應速率是先增大后減小，其原因可能是：該反應是放熱反應，反應開始后放出的熱量使體系的溫度升高，反應速率加快；一段時間后，隨著濃度的減小，化學反應速率減慢．

Answer 1

分析 （1）①在放熱反應中，反應物的總能量高于生成物的總能量；
②對于放熱反應，斷裂反應物中的化學鍵所吸收的能量要小于反應物中形成化學鍵所放出的能量；
③由于2SO₂（g）+O₂（g）?2SO₃（g）是可逆反應，所以將3mol SO₂和1mol O₂混合，氧氣不可能完全生成三氧化硫，也就是生成的三氧化硫的物質(zhì)的量小于2mol，根據(jù)硫元素守恒分析；
（2）該裝置是原電池，負極上的物質(zhì)失電子發(fā)生氧化反應，負極反應式為2SO₂-4e^-+4H₂O=2SO₄^2-+8H⁺，正極上的物質(zhì)得電子發(fā)生還原反應，電極反應式為O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O，原電池放電時，電解質(zhì)溶液中的陽離子向正極移動，陰離子向負極移動；
（3）①從1～2s內(nèi)，氧氣減少了0.4mol-0.3mol=0.1mol，結合v=$\frac{△c}{△t}$計算；
②將容器中的混合氣體通過過量NaOH溶液，氣體體積減少了22.4L即為1mol，則說明混合氣體中二氧化硫和三氧化硫的總物質(zhì)的量為1mol，所以二氧化硫的起始物質(zhì)的量為1mol，剩余氣體通過焦性沒食子酸的堿性溶液吸收O₂，氣體的體積又減少了5.6L（此體積為標準狀況下的體積），則平衡體系中氧氣為 $\frac{5.6L}{22.4L/mol}$=0.25mol，所以參加反應的氧氣的物質(zhì)的量為0.7mol-0.25mol=0.45mol，據(jù)此計算出參加反應的二氧化硫的物質(zhì)的量，進而確定轉化率；
③0.7mol氧氣的空氣中氮氣的物質(zhì)的量為0.7mol×4=2.8mol，根據(jù)②的分析可知，平衡時二氧化硫和三氧化硫的總物質(zhì)的量為1mol，氧氣為 0.25mol，據(jù)此可計算O₂的體積分數(shù)；
④若反應在絕熱密閉系統(tǒng)中進行時，其余條件不變，反應開始溫度升高較快，但隨著反應的進行，反應物的濃度在減小，據(jù)此分析；

解答 解：（1）①在放熱反應中，反應物的總能量高于生成物的總能量，所以相同條件下，2mol SO₂和1mol O₂所具有的能量大于2mol SO₃具有的能量，
故答案為：＞；
②對于放熱反應，斷裂反應物中的化學鍵所吸收的能量要小于反應物中形成化學鍵所放出的能量，所以Q₁+Q₂＜Q₃，
故答案 為：＜；
③由于2SO₂（g）+O₂（g）?2SO₃（g）是可逆反應，所以將3mol SO₂和1mol O₂混合，氧氣不可能完全生成三氧化硫，也就是生成的三氧化硫的物質(zhì)的量小于2mol，所以放出的熱量＜197kJ，根據(jù)硫元素守恒可知，反應達到平衡后，n（SO₂）+n（SO₃）=3mol，
故答案為：＜；3mol；
（2）該裝置是原電池，負極上的物質(zhì)失電子發(fā)生氧化反應，負極反應式為2SO₂-4e^-+4H₂O=2SO₄^2-+8H⁺，正極上的物質(zhì)得電子發(fā)生還原反應，電極反應式為O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O，原電池放電時，電解質(zhì)溶液中的陽離子向正極移動，陰離子向負極移動，
①根據(jù)上面的分析可知，通入O₂的b極是原電池 正極，
故答案為：正；
②電解質(zhì)溶液中陰離子向負極移動即a極，
故答案為：a；
③根據(jù)上面的分析可知，負極反應式為2SO₂-4e^-+4H₂O=2SO₄^2-+8H⁺，
故答案為：2SO₂-4e^-+4H₂O=2SO₄^2-+8H⁺；
（3）①從1～2s內(nèi)，氧氣減少了0.4mol-0.3mol=0.1mol，所以O₂表示從1～2s內(nèi)該反應的平均反應速率為$\frac{\frac{0.1mol}{0.5L}}{1s}$=0.2mol•L^-1•s^-1，
故答案為：0.2mol•L^-1•s^-1；
②將容器中的混合氣體通過過量NaOH溶液，氣體體積減少了22.4L即為1mol，則說明混合氣體中二氧化硫和三氧化硫的總物質(zhì)的量為1mol，所以二氧化硫的起始物質(zhì)的量為1mol，剩余氣體通過焦性沒食子酸的堿性溶液吸收O₂，氣體的體積又減少了5.6L（此體積為標準狀況下的體積），則平衡體系中氧氣為 $\frac{5.6L}{22.4L/mol}$=0.25mol，所以參加反應的氧氣的物質(zhì)的量為0.7mol-0.25mol=0.45mol，則參加反應的二氧化硫的物質(zhì)的量為0.9mol，所以達到平衡時，SO₂的轉化率為$\frac{0.9mol}{1mol}$×100%=90%，
故答案為：90%；
③0.7mol氧氣的空氣中氮氣的物質(zhì)的量為0.7mol×4=2.8mol，根據(jù)②的分析可知，平衡時二氧化硫和三氧化硫的總物質(zhì)的量為1mol，氧氣為 0.25mol，所以O₂的體積分數(shù)為$\frac{0.25mol}{2.8mol+1mol+0.25mol}$×100%=6.2%，
故答案為：6.2%；
④該反應為放熱反應，若反應在絕熱密閉系統(tǒng)中進行時，其余條件不變，反應開始溫度升高較快，但隨著反應的進行，反應物的濃度在減小，所以反應速率是先增大后減小，
故答案為：該反應是放熱反應，反應開始后放出的熱量使體系的溫度升高，反應速率加快；一段時間后，隨著濃度的減小，化學反應速率減慢．

點評 本題考查化學平衡的計算，涉及反應速率、濃度、轉化率及利用原子守恒的計算、原電池原理，側重分析能力、計算能力的綜合考查，注意把握習題中的信息判斷平衡時各物質(zhì)的量，題目難度中等．