Question

11．利用催化氧化反应将SO₂转化为SO₃是工业上生产硫酸的关键步骤．
已知：SO₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）?SO₃（g）△H=-98 kJ•mol^-1．
（1）某温度下该反应的平衡常数K=$\frac{10}{3}$，若在此温度下，向100 L的恒容密闭容器中，充入3.0 mol SO₂（g）、16.0 mol O₂（g）和3.0 mol SO₃（g），则反应开始时v_（正）＞v_（逆）（填“＜”“＞”或“=”）．
（2）一定温度下，向一带活塞的体积为2 L的密闭容器中充入2.0 mol SO₂和1.0 mol O₂，达到平衡后体积变为1.6 L，则SO₂的平衡转化率为60%．
（3）在（2）中的反应达到平衡后，改变下列条件，能使SO₂（g）平衡浓度比原来减小的是AC（填字母）．
A．保持温度和容器体积不变，充入1.0 mol O₂
B．保持温度和容器内压强不变，充入1.0 mol SO₃
C．降低温度
D．移动活塞压缩气体
（4）若以如图所示装置，用电化学原理生产硫酸，写出通入O₂电极的电极反应式为O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O．
（5）为稳定持续生产，硫酸溶液的浓度应维持不变，则通入SO₂和水的质量比为16：29．

Answer 1

分析 （1）某温度下该反应的平衡常数K=$\frac{10}{3}$，计算Qc与K比较，判断反应速率关系；
（2）2 L的密闭容器中充入2.0 mol SO₂和1.0 mol O₂，达到平衡后体积变为1.6 L，则
   SO₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）?SO₃（g）
开始  2      1        0
转化2x       x       2x
平衡2-2x    1-x       2x
由$\frac{2L}{1.6L}=\frac{3mol}{2-2x+1-x+2x}$，解得x=0.12mol，以此计算；
（3）能使SO₂（g）平衡浓度比原来减小，则化学平衡正向移动；
（4）通入O₂电极为正极，得到电子；
（5）硫酸溶液的浓度应维持不变，可知生成硫酸溶液中硫酸的质量为98g，则水的质量为98g，二氧化硫与水反应时消耗1mol水，以此计算．

解答 解：（1）某温度下该反应的平衡常数K=$\frac{10}{3}$，因为浓度商Q_c=$\frac{0.03mol/L}{0.03mol/L×（0.16mol/L）^{\frac{1}{2}}}$=2.5＞K，所以化学反应正向进行，即v（正）＞v（逆），故答案为：＞；

（2）2 L的密闭容器中充入2.0 mol SO₂和1.0 mol O₂，达到平衡后体积变为1.6 L，则
   SO₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）?SO₃（g）
开始  2      1        0
转化2x       x       2x
平衡2-2x    1-x       2x
由$\frac{2L}{1.6L}=\frac{3mol}{2-2x+1-x+2x}$，解得x=0.6mol，
可知参与反应的SO₂为1.2 mol，所以SO₂的转化率α=$\frac{1.2mol}{2mol}$×100%=60%，
故答案为：60%；
（3）A．保持温度和容器体积不变，O₂的浓度增大，平衡正向移动，SO₂的浓度减小，故A正确；
B．保持温度和容器内压强不变，充入1 mol SO₃，新的平衡与原平衡等效，SO₂的浓度不变，故B错误；
C．降低温度，平衡向放热的方向移动，而正反应为放热，所以平衡正向移动，SO₂的浓度减小，故C正确；
D．移动活塞压缩气体，SO₂的浓度瞬间增大，之后平衡向气体体积减小的方向移动，即向正反应方向移动，SO₂的浓度减小，再次到达平衡时SO₂的浓度仍比原来大，故D错误；
故答案为：AC；
（4）SO₂被氧化为硫酸，则通入O₂的电极是正极，发生得电子还原反应，结合电解质溶液显酸性，则电极反应式是O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O，故答案为：O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O；
（5）硫酸溶液的浓度应维持不变，可知生成硫酸溶液中硫酸的质量为98g，则水的质量为98g，二氧化硫与水反应时消耗1mol水，则1 mol SO₂转化为50%硫酸所需水的质量为18g/mol×（1mol+$\frac{98g}{18g/mol}$）=116 g，故SO₂与H₂O质量比为32：116=16：29，故答案为：16：29．

点评 本题考查化学平衡移动、计算及电解池原理等，为高频考点，把握相关化学反应原理知识为解答的关键，侧重分析与应用能力的考查，题目难度中等．