Question

【题目】二氧化硫的催化氧化是工业上生产硫酸的主要反应，反应如下：

I：2SO2(g)+O2(g)2SO3(g) △H1=－197.7kJ·mol－1 K1(浓度平衡常数)

为研究该反应，某同学设计了以下三种已装固体V2O3催化剂的密闭容器装置

(1)在初始体积与温度相同的条件下，甲、乙、丙中均按2 mol SO2、1molO2投料，达平衡时，三个容器中SO2的转化率从大到小的顺序为___________(用“甲、乙、丙”表示)。

(2)在容器丙中，0.1MPa条件下，在不同温度或不同投料方式下研究上述反应得到数据如下表：

①表中：a=___________；b=___________。

②已知用平衡分压(分压=总压×物质的量分数)代替平衡浓度计算，得到的平衡常数即为压强平衡常数，则Kp1=___________；Kp1___________Kp2(填“>”、“<”或“=”)。

③若按0.4 mol SO2、0.4molO2、0.4 mol SO3进行投料，则反应开始时v正(SO2)_______v逆(SO2)(填“>”、“<”或“=”)。

(3)将上述固体催化剂V2O5换成NO2气体同样可以对该反应起到催化作用，此催化过程如下：

Ⅱ：SO2(g)+NO2(g)SO3(g)+NO(g) △H2 K2(浓度平衡常数)

Ⅲ：2NO(g)+O2(g)2NO2(g) △H3=－114.1kJ·mol－1 K3(浓度平衡常数)

△H2=___________；K3=___________(用含有K1、K2的表达式表示)。

Answer 1

【答案】丙＞甲＞乙 118.62kJ 40% 135MPa-1 ＞ ＞ -41.8 kJ·mol－1

【解析】

(1)在初始体积与温度相同的条件下，甲为恒温恒容、乙为绝热恒容、丙为恒温恒压，均按2 mol SO2、1molO2投料，与甲相比，乙中随着反应的进行，温度升高，平衡逆向移动，丙中随着反应的进行，容器的体积逐渐减小，相当于甲平衡后增大压强，平衡正向移动，据此分析判断；

(2) ①根据表格数据，A组起始时充入2 mol SO2、1molO2，平衡转化率为60%，结合2SO2(g)+ O2(g) 2SO3(g)△H1=－197.7kJ·mol－1，计算平衡时放出的热量a；B组起始时充入2mol SO3，与A组等效，据此判断平衡时三氧化硫的转化率b；

②根据三段式计算平衡时气体的总物质的量，再计算三种物质的物质的量分数，结合压强平衡常数的含义计算K；该反应为放热反应，根据温度对平衡的影响分析判断；

③按0.4 mol SO2、0.4molO2、0.4 mol SO3进行投料，相当于按0.8 mol SO2、0.6molO2进行投料，与A组等效，结合A组平衡时的各成分的物质的量判断反应的方向；

(3) 根据盖斯定律，×(I-III)得II，I-II×2得III，据此分析解答。

(1)在初始体积与温度相同的条件下，甲为恒温恒容、乙为绝热恒容、丙为恒温恒压，均按2 mol SO2、1molO2投料，与甲相比，乙中随着反应的进行，温度升高，平衡逆向移动，SO2的转化率减小；与甲相比，丙中随着反应的进行，容器的体积逐渐减小，相当于甲平衡后增大压强，平衡正向移动，SO2的转化率增大，因此三个容器中SO2的转化率从大到小的顺序为丙＞甲＞乙，故答案为：丙＞甲＞乙；

(2) ①根据表格数据，A组起始时充入2 mol SO2、1molO2，平衡转化率为60%，结合2SO2(g)+ O2(g) 2SO3(g)△H1=－197.7kJ·mol－1，平衡时放出的热量a=197.7kJ×60%=118.62kJ，B组起始时充入2mol SO3，与A组等效，则平衡时三氧化硫的转化率b=1-60%=40%，故答案为：118.62kJ；40%；

②A组： 2SO2(g)+ O2(g) 2SO3(g)

起始(mol) 2 1 0

反应(mol) 1.2 0.6 1.2

平衡(mol) 0.8 0.4 1.2

平衡时气体的总物质的量=0.8 mol +0.4 mol +1.2 mol =2.4mol，其中SO2占=，O2占=，SO3占=，则Kp1==135MPa-1；该反应为放热反应，升高温度，平衡逆向移动，平衡常数减小，Kp1＞Kp2，故答案为：135MPa-1；＞；

③A组平衡时n(SO2): n(O2) : n(SO3)=0.8:0.4:1.2=2:1:3。该反应为气体体积减小的反应，若按0.4 mol SO2、0.4molO2、0.4 mol SO3进行投料，相当于按0.8 mol SO2、0.6molO2进行投料，与A组等效，n(SO2): n(O2) : n(SO3)=0.4:0.2:0.4=2:1:2，因此起始时反应正向进行，即v正(SO2)＞v逆(SO2) ，故答案为：＞；

(3) I：2SO2(g)+O2(g)2SO3(g) △H1=－197.7kJ·mol－1 K1，

Ⅱ：SO2(g)+NO2(g)SO3(g)+NO(g) △H2 K2，

Ⅲ：2NO(g)+O2(g)2NO2(g) △H3=－114.1kJ·mol－1 K3，

根据盖斯定律，将I-II得：2SO2(g)+2NO2(g)2SO3(g)+2NO(g) 2△H2=(－197.7kJ·mol－1)-(－114.1kJ·mol－1)= -83.6 kJ·mol－1，则△H2= -41.8 kJ·mol－1；

根据盖斯定律，将I-II×2得2NO(g)+O2(g)2NO2(g)，则K3=，

故答案为：-41.8 kJ·mol－1；。