Question

7．硫酸厂用煅烧黄铁矿（FeS₂）来制取硫酸，实验室利用硫酸厂烧渣（主要成分是Fe₂O₃及少量FeS、SiO₂）制备绿矾．
（1）SO₂和O₂反应制取SO₃的反应原理为：2SO₂+O₂$?_{△}^{催化剂}$2SO₃，在一密闭容器中一定时间内达到平衡．
①该反应的平衡常数表达式为：$\frac{{c}^{2}（S{O}_{3}）}{{c}^{2}（S{O}_{2}）c（{O}_{2}）}$．
②该反应达到平衡状态的标志是BD．
A．v（SO₂）═v（SO₃）B．混合物的平均相对分子质量不变 C．混合气体质量不变 D．各组分的体积分数不变
（2）某科研单位利用原电池原理，用SO₂和O₂来制备硫酸，装置如图，电极为多孔的材料，能吸附气体，同时也能使气体与电解质溶液充分接触．
①B电极的电极反应式为SO₂-2e^-+2H₂O═SO₄^2-+4H⁺；
②溶液中H⁺的移动方向由B极到A极；电池总反应式为2SO₂+O₂+2H₂O═2H₂SO₄．
（3）测定绿矾产品中含量的实验步骤：
a．称取5.7g产品，溶解，配成250mL溶液  
b．量取25mL待测液于锥形瓶中
c．用硫酸酸化的0.01mol/L KMnO₄溶液滴定至终点，消耗KMnO₄溶液体积40mL
根据上述步骤回答下列问题：
①滴定时发生反应的离子方程式为（完成并配平离子反应方程式）．
□Fe²⁺+□MnO${\;}_{4}^{-}$+□8H⁺--□Fe³⁺+□Mn²⁺+□4H₂O
②计算上述产品中FeSO₄•7H₂O的质量分数为0.975或97.5%．（原子量：Fe----56 O----16 S---32  H---1）

Answer 1

分析 （1）①根据平衡常数的表达式公式写出该反应的平衡常数表达式，平衡常数等于生成物平衡浓度幂次方乘积除以反应物平衡浓度幂次方乘积；
②根据达到平衡状态，正逆反应速率相等，各组分的浓度不变，及其衍生的关系进行判断；
（2）①根据原电池工作原理分析负极、正极发生的反应；
②根据电流方向判断氢离子的移动方向；反应原理为二氧化硫、氧气和水反应生成硫酸；
（3）①根据在酸性条件下反应，反应物一定有氢离子，然后根据电子守恒和质量守恒配平方程式；
②根据反应结束时滴入高锰酸钾溶液溶液后颜色变化判断滴定终点；
③根据反应方程式及高锰酸钾的物质的量计算出产品中FeSO₄•7H₂O的质量分数．

解答 解：（1）①根据反应方程式2SO₂+O₂?2SO₃，平衡常数K=$\frac{{c}^{2}（S{O}_{3}）}{{c}^{2}（S{O}_{2}）c（{O}_{2}）}$，
故答案为：$\frac{{c}^{2}（S{O}_{3}）}{{c}^{2}（S{O}_{2}）c（{O}_{2}）}$；
②A．v（SO₂）=v（SO₃），没有告诉正逆反应，无法判断正逆反应速率是否相等，故A错误；
B．反应方程式两边都是气体，气体的化学计量数之和不相等，气体的平均相对分子量是个变化的量，混合物的平均相对分子质量不变，说明正逆反应速率相等，达到了平衡状态，故B正确；
C．反应方程式两边都是气体，气体的质量始终不变，所以混合气体质量不变，不能判断是否达到平衡状态，故C错误；
D、各组分的体积分数不变，正逆反应速率相等，说明达到了平衡状态，故D正确；
故选：BD；
（2）①该原电池中，负极上失电子被氧化，所以负极上投放的气体是二氧化硫，二氧化硫失电子和水反应生成硫酸根离子和氢离子，正极上投放的气体是氧气，正极上氧气得电子和氢离子反应生成水，根据硫酸和水的出口方向知，B极是负极，A极是正极，所以B极上的电极反应式为：SO₂-2e^-+2H₂O═SO₄^2-+4H⁺，
故答案为：SO₂-2e^-+2H₂O═SO₄^2-+4H⁺；
②原电池放电时，氢离子由负极B移向正极A，电池总反应式为：2SO₂+O₂+2H₂O═2H₂SO₄，
故答案为：B；A；2SO₂+O₂+2H₂O═2H₂SO₄；
（3）①用硫酸酸化的0.01mol/L KMnO₄溶液，所以反应物中一定有氢离子，高锰酸根离子化合价由+7变为+2，降低了5价，亚铁离子与+2变为+3，升高了1价，所以高锰酸根离子系数为1、亚铁离子系数为5，根据电荷守恒、质量守恒配平氢离子、水，配平后的方程式为：5Fe²⁺+1MnO₄^-+8H⁺═5Fe³⁺+1Mn²⁺+4H₂O，
故答案为：5；1；8；H⁺；5；1；4；H₂O；
②当亚铁离子与高锰酸钾离子完全反应后，再滴入一滴高锰酸钾溶液，溶液会呈淡紫色，据此判断滴定终点，
故答案为：滴定最后一滴酸性KMnO₄时溶液呈淡紫色，半分钟内不褪色；
③25mL待测液消耗的高锰酸钾的物质的量为：0.01mol/L×0.04L=0.0004mol，
5.7g产品配成250mL溶液消耗高锰酸钾的物质的量为0.0004mol×$\frac{250}{25}$=0.004mol，
根据反应：5Fe²⁺+1MnO₄^-+8H⁺═5Fe³⁺+Mn²⁺+4H₂O，硫酸亚铁的物质的量为：0.004mol×5=0.02mol，
所以样品中含有的FeSO₄•7H₂O的质量为：278g/mol×0.02mol=5.56g，
FeSO₄•7H₂O的质量分数为：$\frac{5，56g}{5.7g}$×100%≈97.5%，
故答案为：0.975或97.5%．

点评 本题所以黄铜矿为载体考查化学平衡常数及平衡状态的判断、燃料电池、氧化还原反应及滴定的相关知识，涉及的题量较大，题目难度中等．