Question

【題目】二氧化硫的催化氧化是工業上生產硫酸的主要反應，反應如下：

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

為研究該反應，某同學設計了以下三種已裝固體V2O3催化劑的密閉容器裝置

(1)在初始體積與溫度相同的條件下，甲、乙、丙中均按2 mol SO2、1molO2投料，達平衡時，三個容器中SO2的轉化率從大到小的順序為___________(用“甲、乙、丙”表示)。

(2)在容器丙中，0.1MPa條件下，在不同溫度或不同投料方式下研究上述反應得到數據如下表：

①表中：a=___________；b=___________。

②已知用平衡分壓(分壓=總壓×物質的量分數)代替平衡濃度計算，得到的平衡常數即為壓強平衡常數，則Kp1=___________；Kp1___________Kp2(填“>”、“<”或“=”)。

③若按0.4 mol SO2、0.4molO2、0.4 mol SO3進行投料，則反應開始時v正(SO2)_______v逆(SO2)(填“>”、“<”或“=”)。

(3)將上述固體催化劑V2O5換成NO2氣體同樣可以對該反應起到催化作用，此催化過程如下：

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

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

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

Answer 1

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

【解析】

(1)在初始體積與溫度相同的條件下，甲為恒溫恒容、乙為絕熱恒容、丙為恒溫恒壓，均按2 mol SO2、1molO2投料，與甲相比，乙中隨著反應的進行，溫度升高，平衡逆向移動，丙中隨著反應的進行，容器的體積逐漸減小，相當于甲平衡后增大壓強，平衡正向移動，據此分析判斷；

(2) ①根據表格數據，A組起始時充入2 mol SO2、1molO2，平衡轉化率為60%，結合2SO2(g)+ O2(g) 2SO3(g)△H1=－197.7kJ·mol－1，計算平衡時放出的熱量a；B組起始時充入2mol SO3，與A組等效，據此判斷平衡時三氧化硫的轉化率b；

②根據三段式計算平衡時氣體的總物質的量，再計算三種物質的物質的量分數，結合壓強平衡常數的含義計算K；該反應為放熱反應，根據溫度對平衡的影響分析判斷；

③按0.4 mol SO2、0.4molO2、0.4 mol SO3進行投料，相當于按0.8 mol SO2、0.6molO2進行投料，與A組等效，結合A組平衡時的各成分的物質的量判斷反應的方向；

(3) 根據蓋斯定律，×(I-III)得II，I-II×2得III，據此分析解答。

(1)在初始體積與溫度相同的條件下，甲為恒溫恒容、乙為絕熱恒容、丙為恒溫恒壓，均按2 mol SO2、1molO2投料，與甲相比，乙中隨著反應的進行，溫度升高，平衡逆向移動，SO2的轉化率減小；與甲相比，丙中隨著反應的進行，容器的體積逐漸減小，相當于甲平衡后增大壓強，平衡正向移動，SO2的轉化率增大，因此三個容器中SO2的轉化率從大到小的順序為丙＞甲＞乙，故答案為：丙＞甲＞乙；

(2) ①根據表格數據，A組起始時充入2 mol SO2、1molO2，平衡轉化率為60%，結合2SO2(g)+ O2(g) 2SO3(g)△H1=－197.7kJ·mol－1，平衡時放出的熱量a=197.7kJ×60%=118.62kJ，B組起始時充入2mol SO3，與A組等效，則平衡時三氧化硫的轉化率b=1-60%=40%，故答案為：118.62kJ；40%；

②A組： 2SO2(g)+ O2(g) 2SO3(g)

起始(mol) 2 1 0

反應(mol) 1.2 0.6 1.2

平衡(mol) 0.8 0.4 1.2

平衡時氣體的總物質的量=0.8 mol +0.4 mol +1.2 mol =2.4mol，其中SO2占=，O2占=，SO3占=，則Kp1==135MPa-1；該反應為放熱反應，升高溫度，平衡逆向移動，平衡常數減小，Kp1＞Kp2，故答案為：135MPa-1；＞；

③A組平衡時n(SO2): n(O2) : n(SO3)=0.8:0.4:1.2=2:1:3。該反應為氣體體積減小的反應，若按0.4 mol SO2、0.4molO2、0.4 mol SO3進行投料，相當于按0.8 mol SO2、0.6molO2進行投料，與A組等效，n(SO2): n(O2) : n(SO3)=0.4:0.2:0.4=2:1:2，因此起始時反應正向進行，即v正(SO2)＞v逆(SO2) ，故答案為：＞；

(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，

根據蓋斯定律，將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，則△H2= -41.8 kJ·mol－1；

根據蓋斯定律，將I-II×2得2NO(g)+O2(g)2NO2(g)，則K3=，

故答案為：-41.8 kJ·mol－1；。