Question

13．煤炭燃燒過程中會釋放出大量的SO₂，嚴重破壞生態環境，一定條件下，通過下列反應可實現燃煤煙氣中硫的回收并消除SO₂對環境的危害．
2CO（g）+SO₂（g）$\stackrel{催化劑}{?}$2CO₂（g）+S（l）△H=a kJ•mol^-1（反應Ⅰ）
已知2CO（g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H₁=-566kJ•mol^-1（反應Ⅱ）
S（l）+O₂（g）=SO₂（g）△H₂=-296kJ•mol^-1（反應Ⅲ）
請回答下列問題：
（1）據上述數據推算a=-270（用具體數值表示），反應I能自發的條件是低溫下進行．
（2）對于氣體參與的反應，表示平衡常數K_p時用氣體組分（B）的平衡壓強p（B）代替該氣體物質的量濃度c（B）．則反應Ⅰ的K_p=$\frac{{p}^{2}（C{O}_{2}）}{{p}^{2}（CO）•p（S{O}_{2}）}$（用表達式表示）．
（3）其他條件相同、催化劑不同時，對于反應Ⅰ經過相同時間測定SO₂的轉化率隨反應溫度的變化如圖a．
①下列說法正確的是BD．
A.260℃時，Cr₂O₃作催化劑時反應速率最快
B.380℃時，Fe₂O₃作催化劑時SO₂平衡轉化率最大
C．其他條件相同時，溫度越高，反應Ⅰ的SO₂平衡轉化率越大
D．反應Ⅰ在絕熱的密閉容器中進行，當容器中溫度不變時說明達到平衡
②Fe₂O₃和NiO作催化劑均能使SO₂的轉化率達到最高，不考慮價格因素，選擇Fe₂O₃的主要優點是Fe₂O₃作催化劑時，在相對較低溫度可獲得較高SO₂的轉化率，從而節約大量能源．
（4）科研小組在380℃、Fe₂O₃作催化劑時研究了不同投料比[n（CO）：n（SO₂）]的比值對SO₂轉化率的影響，結果如圖b．請在答題卡坐標圖中畫出n（CO）：n（SO₂））=2：1時，SO₂轉化率的預期變化曲線（假設SO₂的起始量均相同）．
（5）工業上還可用Na₂SO₃溶液吸收煙氣中的SO₂：Na₂SO₃（aq）+SO₂（g）+H₂O（l）?2NaHSO₃（aq）△H＜0．在Na₂SO₃溶液初始濃度和體積確定的情況下，提高SO₂吸收量的措施有降溫、加壓（至少2個）．

Answer 1

分析 （1）根據蓋斯定律來計算化學反應的焓變，反應能自發進行，應滿足△H-T•△S＜0；
（2）表示平衡常數Kp時用氣體組分（B）的平衡壓強p（B）代替該氣體物質的量的濃度c（B），可根據平衡常數的表達式書寫，平衡常數等于氣體生成物濃度冪之積除以氣體反應物濃度冪之積；
（3）①依據圖象分析解答即可；
②根據圖示內容對比260℃時SO₂的轉化率來尋找反應速率最快，根據催化劑和二氧化硫轉化率之間的關系來判斷Fe₂O₃作催化劑的優點；
（4）n（CO）：n（SO₂）=2：1時反應速率界于n（CO）：n（SO₂）=3：1和n（CO）：n（SO₂）=1：1之間，壓強對反應速率的影響來回答即可；
（5）由反應可知吸收二氧化硫的反應為放熱反應，則高溫下不利于吸收二氧化硫．

解答 解：（1）已知①2CO（g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H₁=-566kJ•mol^-1②S（l）+O₂（g）=SO₂（g）△H₂=-296kJ•mol^-1反應2CO（g）+SO₂（g）$\stackrel{催化劑}{?}$2CO₂（g）+S（l）可以是①-②所得，所以該反應的焓變：a=-566-（-296）=-270，由于此反應為熵減的過程，即△S＜0，若能自發進行，應△H-T•△S＜0，溫度不易過高，
故答案為：-270；低溫下進行；
（2）反應I的K_p=$\frac{{p}^{2}（C{O}_{2}）}{{p}^{2}（CO）•p（S{O}_{2}）}$，故答案為：$\frac{{p}^{2}（C{O}_{2}）}{{p}^{2}（CO）•p（S{O}_{2}）}$；
（3）①A、依據圖象可知：260℃時氧化鉻的催化效果最好，即二氧化硫的轉化率最高，與速率無關，故A錯誤；
B、380℃時，Fe₂O₃作催化劑時SO₂平衡轉化率接近100%，達到最大，故B正確；
C、反應I為放熱反應，溫度越高，越不利于二氧化硫的轉化，故C錯誤；
D、反應I為放熱反應，溫度不變時，反應達到平衡，故D正確，
故選BD；
②根據圖示內容，對比260℃時不同催化劑作用下SO₂的轉化率，可以看出Cr₂O₃作催化劑時，反應速率最快，Fe₂O₃和NiO作催化劑均能使SO₂的轉化率達到最高，但是Fe₂O₃作催化劑時，在相對較低溫度可獲得較高SO₂的轉化率，從而節約大量能源，
故答案為：Fe₂O₃作催化劑時，在相對較低溫度可獲得較高SO₂的轉化率，從而節約大量能源；
（4）n（CO）：n（SO₂）=2：1時反應速率界于n（CO）：n（SO₂）=3：1和n（CO）：n（SO₂）=1：1之間，反應速率介于二者之間，且二氧化硫的轉化率和n（CO）：n（SO₂）=3：1是相等的，即，故答案為：；
（5）Na₂SO₃（aq）+SO₂（g）+H₂O（l）?2NaHSO₃（aq）△H＜0，此反應特點為氣體體積增大的放熱反應，故降低溫度，有利于二氧化硫的吸收，增大壓強有利于二氧化硫的吸收，故答案為：降溫、加壓．

點評 本題考查學生有關熱化學、化學反應速率、弱電解質的電離等方面的知識，屬于綜合知識的考查，難度較大．