Question

7．明礬石經處理后得到明礬[KAl（SO₄）₂•12H₂O]．從明礬制備Al、K₂SO₄和H₂SO₄的工藝過程如圖所示：

焙燒明礬的化學方程式為：4KAl（SO₄）₂•12H₂O+3S=2K₂SO₄+2Al₂O₃+9SO₂↑+48H₂O．
請回答下列問題：
（1）在焙燒明礬的反應中，還原劑是S （填化學式）
（2）工業由Al₂O₃冶煉Al的化學方程式為2Al₂O₃$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$4Al+3O₂↑
（3）工業生產硫酸涉及如下過程：利用電化學法生產硫酸，可使絕大多數硫磺直接轉化為SO₃，已知下列反應的能量變化示意圖：

①寫出S（s）與O₂（g）反應生成SO₃（g）的熱化學方程式S（s）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=SO₃（g）△H=-395.7kJ/mol工業制硫酸的主要反應之一是將SO₂轉化為SO₃．
②寫出工業上將SO₂轉化為SO₃的化學方程式2SO₂+O₂$?_{△}^{催化劑}$2SO₃
③在恒溫、恒容的密閉容器中，下列描述能說明②中反應已達化學平衡狀態的是bc（填字母序號）．
a．容器中c（SO₂）=c（SO₃）                 b．生成1molO₂的同時，生成2molSO₃
c．容器中體系的總壓強不隨時間而變化        d．容器中混合氣體的密度不隨時間而變化
④一定溫度下，在2L的恒容密閉容器中投入0.4molSO₂和0.24molO₂．達到平衡時，SO₂的轉化率為80%．則該溫度下的化學平衡常數為400
（4）以Al和NiO（OH）為電極，NaOH溶液為電解液組成一種新型電池，放電時NiO（OH）轉化為Ni（OH）₂，該電池正極所發生的電極反應式為NiO（OH）+H₂O+e^-═Ni（OH）₂+OH^-
（5）焙燒948噸明礬（M=474g/mol），若SO₂的利用率為96%，可生產質量分數為98%的硫酸432噸．

Answer 1

分析 （1）依據化學方程式中元素化合價變化分析判斷，元素化合價升高的做還原劑發生氧化反應；
（2）用電解熔融的三氧化二鋁制得鋁；
（3）①由圖可知，S（s）+O₂（g）=SO₂（g）△H=-297.0kJ/mol，SO₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=SO₃（g）△H=-98.7kJ/mol，結合蓋斯定律分析；
②SO₂轉化為SO₃的化學方程式2SO₂+O₂$?_{△}^{催化劑}$2SO₃；
③當反應達到平衡狀態時，正逆反應速率相等，各物質的濃度、百分含量不變，以及由此衍生的一些量也不發生變化，注意選擇的物理量應隨反應發生變化，該物理量由變化到不變化，說明到達平衡；
④根據化學平衡常數表達式K=$\frac{c{\;}^{2}（SO{\;}_{3}）}{c{\;}^{2}（SO{\;}_{2}）•c（O{\;}_{2}）}$計算；
（4）放電時NiO（OH）轉化為Ni（OH）₂，Ni元素化合價降低，被還原，應為原電池正極反應；
（5）根據硫原子守恒進行計算；

解答 解；（1）4KAl（SO₄）₂•12H₂O+3S═2K₂SO₄+2Al₂O₃+9SO₂+48H₂O反應硫單質中硫元素化合價升高為+4價．硫酸根離子中硫元素化合價從+6價變化為+4價，復印紙還原劑是硫單質；
故答案為：S；
（2）用電解熔融的三氧化二鋁制得鋁，方程式為：2Al₂O₃$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$4Al+3O₂↑，故答案為：2Al₂O₃$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$4Al+3O₂↑；
（3）①由圖可知，S（s）+O₂（g）=SO₂（g）△H=-297.0kJ/mol，SO₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=SO₃（g）△H=-98.7kJ/mol，
由蓋斯定律可知，兩個反應相加可得S（s）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=SO₃（g）△H=-297.0kJ/mol+（-98.7kJ/mol）=-395.7kJ/mol，
故答案為：S（s）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=SO₃（g）△H=-395.7kJ/mol；
②SO₂轉化為SO₃的化學方程式2SO₂+O₂$?_{△}^{催化劑}$2SO₃；故答案為：2SO₂+O₂$?_{△}^{催化劑}$2SO₃；
③a．容器中c（SO₂）=c（SO₃），不能說明到達平衡，故a錯誤；
b．生成1molO₂的同時，生成2molSO₃，則正逆反應速率相等，能說明到達平衡，故b正確；
c．該反應為壓強減小的反應，則容器中體系的總壓強不隨時間而變化，能說明到達平衡，故c錯誤；
d．容器的容積不變，混合氣體的總質量不變，混合氣體密度始終不變，密度不隨時間而變化，不能說明到達平衡，故d錯誤，
故選bc；
④根據反應的化學反應方程式：
    2SO₂（g）+O₂ （g）?2SO₃（g），
開始0.4       0.24      0
轉化0.4×80%=0.32 0.16   0.32
平衡0.08     0.08       0.32    
達到平衡時各組分的濃度為：c（SO₂）=$\frac{0.08mol}{2L}$=0.04mol/L，c（O₂）=0.04mol/L，c（SO₃）=$\frac{0.32mol}{2L}$=0.16mol/L，
該溫度下的平衡常數K=$\frac{c{\;}^{2}（SO{\;}_{3}）}{c{\;}^{2}（SO{\;}_{2}）•c（O{\;}_{2}）}$=$\frac{0.16{\;}^{2}}{0.04{\;}^{2}×0.04}$=400，故答案為：400；
（4）放電時NiO（OH）轉化為Ni（OH）₂，Ni元素化合價降低，被還原，應為原電池正極反應，電極方程式為NiO（OH）+H₂O+e^-═Ni（OH）₂+OH^-，
故答案為：NiO（OH）+H₂O+e^-═Ni（OH）₂+OH^-；
（5）明礬的物質的量=$\frac{948×10{\;}^{6}g}{474g/mol}$=2×10⁶mol，根據方程式知，生成二氧化硫的物質的量=$\frac{2×10{\;}^{6}mol}{4}$=4.5×10⁶mol，SO₂的利用率為96%，根據硫原子守恒知，硫酸的物質的量=二氧化硫的物質的量=4.32×10⁶mol，則98%的質量=$\frac{4.32×10{\;}^{6}mol×98g/mol}{98%}$=4.32×10⁶g=432噸，故答案為：432．

點評 本題考查了氧化還原反應的分析，蓋斯定律的計算，化學平衡的計算以及電極方程式的書寫等，題目難度中等，試題有利于培養學生的邏輯推理能力，提高學生靈活運用基礎知識解決實際問題的能力及化學計算能力．