Question

9．硫及其化合物广泛分布于自然界中，硫酸工业在国民经济中占有极其重要的地位，运用相关原理回答下列问题：
（1）硫酸生产中，根据化学平衡原理来确定的条件或措施有CD（填序号）．
A．矿石加入沸腾护之前先粉碎    B．使用V₂O₅作催化剂
C．接触室中不使用很高的温度    D．净化后炉气中要有过量的空气
E．接触氧化在常压下进行
（2）若实验室在537℃、1.01×10⁵Pa和催化剂存在条件下，向某密闭容器中充入2mol SO₂和2mol O₂，此时体积为10L，在温度和压强不变条件下20分钟后反应达到平衡，SO₃体积分数为0.5．
①该温度下，从反应开始至平衡时氧气的平均反应速率是4×10^-3mol/（L•min）；
②该温度下，反应2SO₂（g）+O₂（g）?2SO₃（g）的平衡常数的值为106.7．
（3）工业上冶炼铜主要以黄铜矿（主要成分CuFeS₂）为原料，经过多歩反应将铜元素还原为铜．其中有一步为：2Cu₂S+3O₂（g）═2Cu₂O+2SO₂．试从反应的自发性判断此反应的△H＜0 （填“＞”、“=”或“＜”）．
（4）用电解的方法将硫化钠溶液氧化为多硫化物的研究具有重要的实际意义，将硫化物转变为多硫化物是电解法处理硫化氢废气的一个重要内容．如图，是电解产生多硫化物的实验装置：
①已知阳极的反应为：（x+1）S^2-═S_x+S^2-+2xe^-，则阴极的电极反应式是：2H₂O+2e^-═2OH^-+H₂↑．当反应转移xmol电子时，产生的气体体积为11.2xL（标准状况下）．
②将Na₂S•9H₂O溶于水中配制硫化物溶液时，通常是在氮气气氛下溶解．其原因是（用离子方程式表示）：2S^2-+O₂+2H₂O=2S↓+4OH^-．溶液中离子浓度由大到小的顺序c（Na⁺）＞c（S^2-）＞c（OH^-）＞c（HS^-）＞c（H⁺）．

Answer 1

分析 （1）化学平衡的适用范围是可逆反应，在工业接触法制硫酸2SO₂+O_2?2SO₃为可逆反应，化学平衡移动的条件有：浓度、温度、压强．催化剂V₂O₅的作用是提高反应速率，温度控制在450℃左右，是根据使催化剂的活性最强确定，压强采用常压．因此根据化学平衡移动原理来确定的条件只有浓度；
（2）结合化学平衡三行计算列式，设反应的氧气浓度为x，
                            2SO₂（g）+O₂（g）?2SO₃（g）
起始量（mol/L）    0.2             0.2             0
变化量（mol/L）   2x                 x                2x
平衡量（mol/L）0.2-2x          0.2-x              2x
在温度和压强不变条件下20分钟后反应达到平衡，SO₃体积分数为0.5，$\frac{2x}{0.4-x}$=0.5
x=0.08mol/L
①该温度下，从反应开始至平衡时氧气的平均反应速率=$\frac{△c}{△t}$；
②平衡常数K=$\frac{生成物平衡浓度幂次方乘积}{反应物平衡浓度幂次方乘积}$；
（3）反应自发进行的判断依据是△H-T△S＜0；
（4）①根据电解池的工作原理：阴极上发生得电子的还原反应，阳极上发生失去电子的氧化反应来回答；
②硫离子具有强的还原性，易被氧气氧化为硫单质，据此来回答．

解答 解：（1）硫酸生产中，第二步：SO₃的制取反应原理为：2SO₂+O₂ $\frac{\underline{催化剂}}{△}$2SO₃，该反应为可逆反应，根据化学平衡原理为了提高SO₂的转化率，通常采用增大O₂浓度的方法来达到使SO₂尽可能多的转化为SO₃的目的．
A．矿石加入沸腾炉之前先粉碎，目的是为了增大黄铁矿与空气的接触面，加快4FeS₂+11O₂ $\frac{\underline{催化剂}}{△}$2Fe₂O₃+8SO₂ 反应速率，而不是从2SO₂+O₂ $\frac{\underline{催化剂}}{△}$2SO₃ 反应中化学平衡角度考虑，故A不正确；
B．使用V₂O₅作催化剂，催化2SO₂+O₂ $\frac{\underline{催化剂}}{△}$2SO₃ 反应，只能加快该反应的速率，不能使平衡移动，故B不正确；
C．接触室中催化转化器使用适宜的温度，目的是使催化剂活性最强，使反应速率最快，而实际上升高温度，会促使2SO₂+O₂ $\frac{\underline{催化剂}}{△}$2SO₃ 平衡向吸热方向移动，即逆向移动，不利于提高SO₂的转化率，接触室中不使用很高的温度，故C正确；
D．从沸腾炉中出来的气体成分为SO₂、O₂、N₂，经过净化后，进入接触室，炉气中要有过量的空气，即增大O₂浓度，会促使2SO₂+O₂ $\frac{\underline{催化剂}}{△}$2SO₃ 平衡正向移动，有利于提高SO₂的转化率，故D正确；
E．接触室中：2SO₂+O₂ $\frac{\underline{催化剂}}{△}$2SO₃，增大压强促使平衡正向移动（即气体总体积减小的方向），减小压强促使平衡逆向移动（即气体总体积增大的方向）．在常压下，不利于平衡正向移动，不利于提高SO₂的转化率．对于该化学平衡，压强的增大，促使平衡正向移动，效果并不明显，所以工业上直接采用常压条件，而不采用高压条件，故E不正确；
故答案为：CD；
（2）结合化学平衡三行计算列式，设反应的氧气浓度为x，
                            2SO₂（g）+O₂（g）?2SO₃（g）
起始量（mol/L）    0.2             0.2             0
变化量（mol/L）   2x                 x                2x
平衡量（mol/L）0.2-2x          0.2-x              2x
在温度和压强不变条件下20分钟后反应达到平衡，SO₃体积分数为0.5，$\frac{2x}{0.4-x}$=0.5
x=0.08mol/L
①该温度下，从反应开始至平衡时氧气的平均反应速率=$\frac{0.08mol/L}{20min}$=4×10^-3mol/（L•min），
故答案为：4×10^-3mol/（L•min）；
②该温度下，反应2SO₂（g）+O₂（g）?2SO₃（g）的平衡常数的值K=$\frac{（0.08×2）^{2}}{（0.2-2×0.08）^{2}×（0.2-0.08）}$=106.7，
故答案为：106.7；
（3）工业上冶炼铜主要以黄铜矿（主要成分CuFeS₂）为原料，经过多歩反应将铜元素还原为铜．其中有一步为：2Cu₂S+3O₂（g）═2Cu₂O+2SO₂．反应△S＜0，满足△H-T△S＜0，判断此反应的△H＜0，
故答案为：＜；
（4）①阴极上是阳离子氢离子发生得电子的还原反应，即2H₂O+2e^-═2OH^-+H₂↑，当反应转移xmol电子时，产生的气体0.5xmol，体积为0.5xmol×22.4L/mol=11.2xL，
故答案为：2H₂O+2e^-═2OH^-+H₂↑；  11.2xL；
②硫化钠中的硫离子具有强的还原性，易被氧气氧化为硫单质，配制时要隔绝氧气，可用氮气气流，即：2S^2-+O₂+2H₂O=2S↓+4OH^-，硫化钠溶液中硫离子为多元弱酸阴离子分步水解，溶液显碱性，溶液中离子浓度大小为：c（Na⁺）＞c（S^2-）＞c（OH^-）＞c（HS^-）＞c（H⁺），
故答案为：2S^2-+O₂+2H₂O=2S↓+4OH^-；c（Na⁺）＞c（S^2-）＞c（OH^-）＞c（HS^-）＞c（H⁺）．

点评 本题综合考查学生热化学、电化学、化学反应速率和平衡、离子浓度大小比较等方面的知识，注意知识的归纳和整理是解题关键，题目难度中等．