Question

【題目】硫酸是一種重要的基本化工產品，接觸法制硫酸生產中的關鍵工序是SO2的催化氧化：SO2(g)+O2(g)SO3(g) ΔH=98 kJ·mol1。回答下列問題：

(1)釩催化劑參與反應的能量變化如圖所示，V2O5(s)與SO2(g)反應生成VOSO4(s)和V2O4(s)的熱化學方程式為：_________。

(2)當SO2(g)、O2(g)和N2(g)起始的物質的量分數分別為7.5%、10.5%和82%時，在0.5MPa、2.5MPa和5.0MPa壓強下，SO2平衡轉化率α 隨溫度的變化如圖所示。反應在5.0MPa、550℃時的α=__________，判斷的依據是__________。影響α的因素有__________。

(3)將組成(物質的量分數)為2m% SO2(g)、m% O2(g)和q% N2(g)的氣體通入反應器，在溫度t、壓強p條件下進行反應。平衡時，若SO2轉化率為α，則SO3壓強為___________，平衡常數Kp=___________(以分壓表示，分壓=總壓×物質的量分數)。

(4)研究表明，SO2催化氧化的反應速率方程為：v=k(1)0.8(1nα')。式中：k為反應速率常數，隨溫度t升高而增大；α為SO2平衡轉化率，α'為某時刻SO2轉化率，n為常數。在α'=0.90時，將一系列溫度下的k、α值代入上述速率方程，得到v~t曲線，如圖所示。

曲線上v最大值所對應溫度稱為該α'下反應的最適宜溫度tm。t<tm時，v逐漸提高；t>tm后，v逐漸下降。原因是__________________________。

Answer 1

【答案】2V2O5(s)+ 2SO2(g) 2VOSO4(s)+ V2O4(s) H= -351 kJmol-1 0.975 該反應氣體分子數減少，增大壓強，α提高。所以，該反應在550℃、壓強為5.0MPa＞2.5MPa＝p２的，所以p1=5.0MPa 反應物（N2和O2）的起始濃度（組成）、溫度、壓強 升高溫度，k增大使v逐漸提高，但α降低使v逐漸下降。當t＜tm，k增大對v的提高大于α引起的降低；當t＞tm，k增大對v的提高小于α引起的降低

【解析】

根據蓋斯定律，用已知的熱化學方程式通過一定的數學運算，可以求出目標反應的反應熱；根據壓強對化學平衡的影響，分析圖中數據找到所需要的數據；根據恒壓條件下總壓不變，求出各組分的分壓，進一步可以求出平衡常數；根據題中所給的速率公式，分析溫度對速率常數及二氧化硫的轉化率的影響，進一步分析對速率的影響。

(1)由題中信息可知：

①SO2(g)+O2(g)SO3(g) H= -98kJmol-1

②V2O4(s)+ SO3(g)V2O5(s)+ SO2(g) H2= -24kJmol-1

③V2O4(s)+ 2SO3(g)2VOSO4(s) H1= -399kJmol-1

根據蓋斯定律可知，③-②2得2V2O5(s)+ 2SO2(g) 2VOSO4(s)+ V2O4(s)，則H= H1-2H2=( -399kJmol-1)-( -24kJmol-1)2= -351kJmol-1，所以該反應的熱化學方程式為：2V2O5(s)+ 2SO2(g) 2VOSO4(s)+ V2O4(s) H= -351 kJmol-1；

(2) SO2(g)+O2(g)SO3(g)，該反應是一個氣體分子數減少的放熱反應，故增大壓強可以使化學平衡向正反應方向移動。因此，在相同溫度下，壓強越大，SO2的平衡轉化率越大，所以，該反應在550℃、壓強為5.0MPa條件下，SO2的平衡轉化率一定高于相同溫度下、壓強為2.5MPa的，因此，p1=5.0MPa，由圖中數據可知，α=0.975。影響α的因素就是影響化學平衡移動的因素，主要有反應物（N2和O2）的濃度、溫度、壓強等。

(3)假設原氣體的物質的量為100mol，則SO2、O2和N2的物質的量分別為2m mol、m mol和q mol，2m+m+q=3m+q=100，SO2的平衡轉化率為α，則有下列關系：

平衡時氣體的總物質的量為n(總)= 2m(1-α)+m(1-α)+2mαmol+q mol，則SO3的物質的量分數為。該反應在恒壓容器中進行，因此，SO3的分壓p(SO3)=，p(SO2)=，p(O2)=，在該條件下，SO2(g)+ O2(g)2SO3(g) 的Kp=。

(4) 由于該反應是放熱反應，溫度升高后α降低。由題中信息可知，v=，升高溫度，k增大使v逐漸提高，但α降低使v逐漸下降。當t＜tm，k增大對v的提高大于α引起的降低；當t＞tm，k增大對v的提高小于α引起的降低。