Question

【題目】十八大以來，各地重視“藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)”戰(zhàn)略。作為煤炭使用大國，我國每年煤炭燃燒釋放出的大量SO2嚴(yán)重破壞生態(tài)環(huán)境。現(xiàn)階段主流煤炭脫硫技術(shù)通常采用石灰石-石膏法將硫元素以CaSO4的形式固定，從而降低SO2的排放。但是煤炭燃燒過程中產(chǎn)生的CO又會(huì)與CaSO4發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，降低脫硫效率。相關(guān)反應(yīng)的熱化學(xué)方程式如下：

反應(yīng)Ⅰ：CaSO4(s)+CO(g) CaO(s) + SO2(g) + CO2(g) 活化能Ea1，ΔH1=218.4kJ·mol-1

反應(yīng)Ⅱ：CaSO4(s)+4CO(g) CaS(s) + 4CO2(g) 活化能Ea2，ΔH2= -175.6kJ·mol－1

請回答下列問題：

（1）反應(yīng)CaO(s)+3CO(g)+SO2(g)CaS(s)+3CO2(g)；△H=__________kJmol-1；該反應(yīng)在________（填“高溫”“低溫”“任意溫度”）可自發(fā)進(jìn)行。

（2）恒溫密閉容器中，加入足量CaSO4和一定物質(zhì)的量的CO氣體，此時(shí)壓強(qiáng)為p0。tmin中時(shí)反應(yīng)達(dá)到平衡，此時(shí)CO和CO2體積分?jǐn)?shù)相等，CO2是SO2體積分?jǐn)?shù)的2倍，則反應(yīng)I的平衡常數(shù)Kp＝________(對于氣相反應(yīng)，用某組分B的平衡壓強(qiáng)p(B)代替物質(zhì)的量濃度c(B)也可表示平衡常數(shù)，記作Kp，如p(B)＝p·x(B)，p為平衡總壓強(qiáng)，x(B)為平衡系統(tǒng)中B的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù))。

（3）圖1為1000K時(shí)，在恒容密閉容器中同時(shí)發(fā)生反應(yīng)I和II，c(SO2)隨時(shí)間的變化圖像。請分析圖1曲線中c(SO2)在0～t2區(qū)間變化的原因___________________。

（4）圖2為實(shí)驗(yàn)在恒容密閉容器中，測得不同溫度下，反應(yīng)體系中初始濃度比與SO2體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系曲線。下列有關(guān)敘述正確的是______________________。

A．當(dāng)氣體的平均密度不再變化，反應(yīng)I和反應(yīng)Ⅱ同時(shí)達(dá)到平衡狀態(tài)

B．提高CaSO4的用量，可使反應(yīng)I正向進(jìn)行，SO2體積分?jǐn)?shù)增大

C．其他條件不變，升高溫度，有利于反應(yīng)I正向進(jìn)行，SO2體積分?jǐn)?shù)增大，不利于脫硫

D．向混合氣體中通入氧氣（不考慮與SO2反應(yīng)），可有效降低SO2體積分?jǐn)?shù)，提高脫硫效率

（5）圖1中，t2時(shí)刻將容器體積減小至原來的一半，t3時(shí)達(dá)到新的平衡，請?jiān)趫D1中畫出t2-t3區(qū)間c(SO2)的變化曲線__________。

Answer 1

【答案】-394.0kJ·mol-1 低溫 0.25p0 反應(yīng)I的活化能Ea1較小，反應(yīng)速率I比II大，0～t1階段c(SO2)增大，t1后反應(yīng)II為主，c(CO)減小，使反應(yīng)I逆向進(jìn)行，故c(SO2)減小，t2時(shí)反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)。 ACD；

【解析】

(1)反應(yīng)Ⅰ：CaSO4(s)+CO(g)CaO(s) + SO2(g) + CO2(g) ΔH1=218.4kJ·mol-1

反應(yīng)Ⅱ：CaSO4(s)+4CO(g)CaS(s) + 4CO2(g) ΔH2= -175.6kJ·mol－1

根據(jù)蓋斯定律反應(yīng)Ⅱ-反應(yīng)Ⅰ得：CaO(s)+3CO(g)+SO2(g)CaS(s)+3CO2(g)，所以，ΔH=ΔH2-ΔH1=-175.6kJ·mol－1-218.4kJ·mol-1=-394.0kJ·mol-1。該反應(yīng)為氣體分子數(shù)減小的反應(yīng)，ΔS＜0，ΔH＜0，當(dāng)ΔH-TΔS＜0時(shí)，反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行，則T較小的時(shí)候反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行，即該反應(yīng)在低溫時(shí)能自發(fā)進(jìn)行，故答案為：-394.0kJ·mol-1；低溫；

(2)設(shè)參加反應(yīng)Ⅰ的CO起始的物質(zhì)的量為a，平衡時(shí)，CO和CO2體積分?jǐn)?shù)相等，CO2的體積分?jǐn)?shù)是SO2體積分?jǐn)?shù)的2倍，故設(shè)平衡時(shí)，SO2的物質(zhì)的量為xmol，CO和CO2的物質(zhì)的量為2x，則對于反應(yīng)Ⅰ有：

則反應(yīng)Ⅱ生成的CO2的物質(zhì)的量為(2x-x)mol=xmol，生成CO的物質(zhì)的量=[2x-(a-x)]mol=(3x-a)mol，則對于反應(yīng)Ⅱ有：

結(jié)合反應(yīng)Ⅰ、Ⅱ可知：CO的充入量為(4x-a)+a=4x，而平衡時(shí)，氣體的總物質(zhì)的量=2x+x+2x=5x，設(shè)平衡時(shí)體系總壓為p，則，解得：p=，所以反應(yīng)Ⅰ的平衡常數(shù)Kp==0.25p0，故答案為：0.25p0；

(3)因反應(yīng)Ⅰ的活化能小于反應(yīng)Ⅱ的活化能，0到t1，反應(yīng)Ⅰ速率大于反應(yīng)Ⅱ，c(SO2)增大，t1后反應(yīng)II為主，c(CO)減小，使反應(yīng)I逆向進(jìn)行，故c(SO2)減小，t2時(shí)反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，故答案為：反應(yīng)I的活化能Ea1較小，反應(yīng)速率I比II大，0～t1階段c(SO2)增大，t1后反應(yīng)II為主，c(CO)減小，使反應(yīng)I逆向進(jìn)行，故c(SO2)減小，t2時(shí)反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)；

(4)A．反應(yīng)Ⅰ、Ⅱ都是反應(yīng)前后氣體質(zhì)量變化的反應(yīng)，由m=ρV可知，容器體積V恒定下，ρ不變，說明氣體總質(zhì)量m不變，那么容器內(nèi)每種氣體的質(zhì)量均不變化，已達(dá)到平衡，A正確；

B．CaSO4是固體，提高CaSO4的用量，平衡不移動(dòng)，B錯(cuò)誤；

C．反應(yīng)Ⅰ是吸熱反應(yīng)，升高溫度，反應(yīng)Ⅰ正向移動(dòng)，SO2體積分?jǐn)?shù)增大，不利于脫硫，C正確；

D．通入氧氣，CO被消耗，反應(yīng)Ⅰ逆向移動(dòng)，SO2體積分?jǐn)?shù)降低，脫硫效率增大，D正確；

綜上所述，ACD滿足題意，故答案為：ACD；

(5)容器體積減小一半瞬間，二氧化硫濃度變?yōu)?/span>2倍，同時(shí)壓強(qiáng)增大，平衡逆向移動(dòng)，二氧化硫濃度減小，t2～t3二氧化硫濃度比t1～t2減小的多。根據(jù)勒夏特列原理可知，t3重新平衡時(shí)，二氧化硫濃度略比t2時(shí)刻大，據(jù)此如圖：，故答案為：。