Question

(9分)工業上以黃鐵礦為原料生產硫酸，其中重要的一步是催化氧化(生產中保持恒溫恒容條件)：2SO₂(g)＋O₂(g)2SO₃(g) △H＝－196.6 kJ·mol^－1
(1)生產中為提高反應速率和SO₂的轉化率，下列措施可行的是            。
A．向裝置中充入O₂             B．升高溫度
C．向裝置中充入N₂             D．向裝置中充入過量的SO₂
(2)恒溫恒壓，通入3mol SO₂和2mol O₂ 及固體催化劑，平衡時容器內氣體體積為起始時的90%。保持同一反應溫度，在相同容器中，將起始物質的量改為 5mol SO₂(g)、3.5 mol O₂(g)、1mol SO₃(g)，下列說法正確的是         
A．第一次平衡時反應放出的熱量為294.9kJ 
B．兩次平衡SO₂的轉化率相等
C．兩次平衡時的O₂體積分數相等          
D．第二次平衡時SO₃的體積分數等于2/9
(3)500 ℃時將10 mol SO₂和5.0 mol O₂置于體積為1Ｌ的恒容密閉容器中，SO₂轉化為SO₃的平衡轉化率為0.95。則500℃時的平衡常數K=          。
(4)550 ℃，A、B表示不同壓強下的平衡轉化率(如圖)，通常工業生產中采用常壓的原因是          ，
并比較不同壓強下的平衡常數：K(0.10 MPa)    K(1.0 MPa)。

Answer 1

(1)A(2分)    (2)CD(2分)    (3)1.444x10³(2分)   常壓下400～500°C，SO₂轉化率已經很高了，加壓必須增大投資以解決增加設備和提供能量問題(2分)    =(1分)

試題分析：（1）充入氧氣，則增大氧氣的濃度，所以既能增大反應速率，也能提高SO₂的轉化率，A正確；正反應是放熱反應，升高溫度平衡向逆反應方向移動，轉化率降低，B不正確；向裝置中充入N₂，壓強增大，但濃度不變，平衡不移動，C不正確；向裝置中充入過量的SO₂，反應速率增大，但SO₂的轉化率降低，D不正確，答案選A。
（2）設第一次平衡時生成SO₃是x，則消耗SO₂和氧氣的物質的量分別是x和0.5x，因此剩余SO₂和氧氣的物質的量分別是（3mol-x）、（2mol-0.5x）。所以有，解得x=1mol。因此放出的熱量是196.6 kJ·mol^－1×0.5mol=98.3kJ，A不正確；SO₃的體積分數是。根據方程式可知，5mol SO₂(g)、3.5 mol O₂(g)、1mol SO₃(g)相當于是6mol SO₂(g)、4 mol O₂(g)。由于是保持恒溫恒壓的，因此平衡是等效的，所以平衡時SO₃的物質的量是2mol，即反應中消耗1molSO₂，因此選項B不正確，C和D都是正確的，答案選CD。
（3）                2SO₂(g)＋O₂(g)2SO₃(g)
起始濃度（mol/L）    10      5        0
轉化濃度（mol/L）     9.5     4.75      9.5
平衡濃度（mol/L）     0.5     0.25      9.5
所以該穩定性平衡常數K=
（4）根據圖像可知，由于常壓下400～500°C，SO₂轉化率已經很高了，加壓轉化率提高的幅度不大，但加壓必須增大投資以解決增加設備和提供能量問題，顯然是互經濟的。平衡常數只與溫度有關系，所以改變壓強，平衡常數是不變的。
點評：該題的難點在于等效平衡的判斷上。所謂等效平衡是指外界條件相同時，同一可逆反應只要起始濃度相當，無論經過何種途徑，都可以達到相同的平衡狀態。等效平衡的判斷及處理一般步驟是：進行等效轉化——邊倒法，即按照反應方程式的計量數之比轉化到同一邊的量，與題干所給起始投料情況比較。等效平衡一般有三種類型：I類：恒溫恒容下對于反應前后氣體體積發生變化的反應來說（即△n≠0的體系）：等效轉化后，對應各物質起始投料的物質的量與原平衡起始態相同。II類：恒溫恒容下對于反應前后氣體體積沒有變化的反應來說（即△n＝0的體系）：等效轉化后，只要反應物（或生成物）的物質的量的比例與原平衡起始態相同，兩平衡等效。III類：恒溫恒壓下對于氣體體系等效轉化后，要反應物（或生成物）的物質的量的比例與原平衡起始態相同，兩平衡等效。解答該類型試題的關鍵是分清類別，用相應的方法求解即可。