Question

6．一定条件下，通过下列反应可实现燃煤烟气中硫的回收：SO₂（g）+2CO（g）$\stackrel{催化剂}{?}$2CO₂（g）+S（l）
为了测定在某种催化剂作用下的反应速率，在某温度下用超灵敏气体传感器测得不同时间的SO₂和CO浓度如表：

时间（s）	0	1	2	3	4	5
c（SO2）（mol•L-1）	1.00	0.50	0.23	3.00×10-37	3.00×10-37	3.00×10-37
c（CO）（mol•L-1）	4.00	3.00	2.46	2.00	2.00	2.00

请回答下列问题（均不考虑温度变化对催化剂催化效率的影响）：
（1）在上述条件下反应能够自发进行，则反应的△H＜0（填写“＞”、“＜”、“=”）．
（2）前2s内的平均反应速率v（CO₂）=0.77mol/（L•s）．
（3）在该温度下，反应的平衡常数K=3.33×10³⁶．
（4）假设在密闭容器中发生上述反应，达到平衡时，下列措施既不会提高成本，又能提高SO₂转化率的是BC．
A．选用更有效的催化剂               B．提高n（CO）：n（SO₂）投料比
C．降低反应体系的温度               D．缩小容器的体积
（5）为了分别验证不同催化剂、温度、浓度对化学反应速率的影响规律，某同学设计了四组实验使反应速率依次增大，部分实验条件已经填在下面实验设计表中．

实验 编号	T（℃）	SO2初始浓度 （mol•L-1）	CO初始浓度 （mol•L-1）	催化剂
Ⅰ	260	1.00	3.00	Cr2O3
Ⅱ				Fe2O3
Ⅲ	380
Ⅳ			4.00

①请将上述表格中剩余的实验条件数据填入答题卷相应位置．
②研究表明：Fe₂O₃的催化效果好于Cr₂O₃．请在答题卷相应位置画出上表中的四个实验条件下混合气体中SO₂浓度随时间变化的趋势曲线图，并标明各实验编号．

Answer 1

分析 （1）正反应为熵减的反应，△G=△H-T△S＜0时反应自发进行；
（2）根据v=$\frac{△c}{△t}$计算v（CO），再根据速率之比等于化学计量数之比计算v（CO₂）；
（3）由表中数据可知，3s时处于平衡状态，CO浓度变化量为2mol/L，则平衡时二氧化碳浓度为2mol/L，代入平衡常数表达式K=$\frac{{c}^{2}（C{O}_{2}）}{c（S{O}_{2}）×{c}^{2}（CO）}$计算；
（4）A．选用更有效的催化剂不影响平衡移动；
B．提高n（CO）：n（SO₂）投料比可以提高SO₂转化率，不会提高成本；
C．由（1）中可知，正反应为放热反应，降低反应体系的温度，平衡正向移动，不会提高成本；
D．缩小容器的体积，需要提供能量，会提高成本；
（5）①实验目的是验证不同催化剂、温度、浓度对化学反应速率的影响规律，实验I、Ⅱ中催化剂不同，实验I、Ⅳ中CO初始浓度不同，实验I、Ⅲ中温度不同，其它条件均相同；
②实验I、Ⅱ中Fe₂O₃的催化效果好于Cr₂O₃，到达平衡时间Ⅰ＞Ⅱ，不影响平衡移动，平衡时二氧化硫浓度相等；
实验I、Ⅳ中实验Ⅳ的CO初始浓度大，到达平衡时间Ⅰ＞Ⅳ，Ⅳ中二氧化硫的转化率大，平衡时二氧化硫的浓度Ⅳ＜Ⅰ；
实验I、Ⅲ中实Ⅲ的温度大，到达平衡时间Ⅰ＞Ⅲ，正反应为放热反应，平衡逆向移动，Ⅲ中二氧化硫的转化率小，平衡时二氧化硫的浓度Ⅲ＞Ⅰ．

解答 解：（1）正反应为熵减的反应，△S＜0，反应自发进行，则△G=△H-T△S＜0，故△H＜0，
故答案为：＜；
（2）由表中的数据可知2s内CO浓度的变化量为（4-2.46）mol/L=1.54mol/L，则v（CO）=$\frac{1.54mol/L}{2S}$=0.77mol/（L•s），化学反应速率之比等于化学计量数之比，则v（CO₂）=v（CO）=0.77mol/（L•s），
故答案为：0.77mol/（L•s）；
（3）由表中数据可知，3s时处于平衡状态，平衡时二氧化硫浓度为3.00×10^-37mol/L，CO浓度为2mol/L，CO浓度变化量为（4-2）mol/L=2mol/L，则平衡时二氧化碳浓度为2mol/L，则平衡常数K=$\frac{{c}^{2}（C{O}_{2}）}{c（S{O}_{2}）×{c}^{2}（CO）}$=$\frac{{2}^{2}}{3×1{0}^{-37}×{2}^{2}}$=3.33×10³⁶，
故答案为：3.33×10³⁶；
（4）A．选用更有效的催化剂不影响平衡移动，不能提高SO₂转化率，故A错误；
B．提高n（CO）：n（SO₂）投料比可以提高SO₂转化率，不会提高成本，故B正确；
C．由（1）中可知，正反应为放热反应，降低反应体系的温度，平衡正向移动，提高SO₂转化率，不会提高成本，故C正确；
D．缩小容器的体积，平衡正向移动，可以提高SO₂转化率，但需要提供能量，会提高成本，故D错误，
故选：BC；
（5）①实验目的是验证不同催化剂、温度、浓度对化学反应速率的影响规律，实验I、Ⅱ中催化剂不同，实验I、Ⅳ中CO初始浓度不同，实验I、Ⅲ中温度不同，其它条件均相同，则：

实验 编号	T（℃）	SO2初始浓度 （mol•L-1）	CO初始浓度 （mol•L-1）	催化剂
Ⅰ	260	1.00	3.00	Cr2O3
Ⅱ	260	1.00	3.00	Fe2O3
Ⅲ	380	1.00	3.00	Cr2O3
Ⅳ	260	1.00	4.00	Cr2O3

故答案为：

实验 编号	T（℃）	SO2初始浓度 （mol•L-1）	CO初始浓度 （mol•L-1）	催化剂
Ⅰ
Ⅱ	260	1.00	3.00
Ⅲ		1.00	3.00	Cr2O3
Ⅳ	260	1.00		Cr2O3

②实验I、Ⅱ中Fe₂O₃的催化效果好于Cr₂O₃，到达平衡时间Ⅰ＞Ⅱ，不影响平衡移动，平衡时二氧化硫浓度相等；
实验I、Ⅳ中实验Ⅳ的CO初始浓度大，到达平衡时间Ⅰ＞Ⅳ，Ⅳ中二氧化硫的转化率大，平衡时二氧化硫的浓度Ⅳ＜Ⅰ；
实验I、Ⅲ中实Ⅲ的温度大，到达平衡时间Ⅰ＞Ⅲ，正反应为放热反应，平衡逆向移动，Ⅲ中二氧化硫的转化率小，平衡时二氧化硫的浓度Ⅲ＞Ⅰ，
表中的四个实验条件下混合气体中SO₂浓度随时间变化的趋势曲线图：，
故答案为：．

点评 本题考查化学平衡计算、化学平衡影响因素、探究化学反应速率影响因素等，（5）中注意利用控制变量法分析解答，作图中注意到达平衡时间、平衡时二氧化硫的浓度，难度中等．