Question

9．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→_加热^催化剂2SO₃，经一段时间后，SO₃的浓度增加了0.4mol/L，在这段时间内用O₂表示的反应速率为0.04mol/（L•s）
①则这段时间为5s．
②该反应达到平衡状态的标志是BD．
A．容器内硫元素物质的量分数不变      B．混合物的平均相对分子质量不变
C．n（SO₂）：n（O₂）：n（SO₃）=2：1：2         D．各组分的体积分数不变
（2）利用烧渣制绿矾的过程如下
操作I的名称过滤，溶液A的溶质H₂SO₄，固体B是Fe．
（3）某科研机构用NaOH溶液吸收废气中的SO₂，将所得的Na₂SO₃溶液进行电解，可循环再生NaOH，同时得到H₂SO₄，其原理如图所示，（电极材料为石墨）
①图中b极要连接电源的正极（填“正”或“负”）
②SO₃^2-放电的电极反应式为SO₃^2--2e^-+H₂O=SO₄^2-+2H⁺．
③若用甲烷-空气燃料电池作电源，处理标准状况下40m³的废气（其中SO₂的体积分致为0.2 ），理论上需要消耗标准状况下甲烷2m³．

Answer 1

分析 （1）①根据速率之比等于化学计量数之比计算v（SO₃），再利用△t=$\frac{△c}{△t}$进行计算；
②根据化学平衡状态的特征解答，当反应达到平衡状态时，正逆反应速率相等，各物质的浓度、百分含量不变，以及由此衍生的一些量也不发生变化，解题时要注意，选择判断的物理量，随着反应的进行发生变化，当该物理量由变化到定值时，说明可逆反应到达平衡状态；
（2）烧渣ag主要成分是Fe₂O₃及少量FeS、SiO₂，加入溶液A为稀硫酸，溶解过滤得到溶液X为硫酸铁和硫酸亚铁，加入固体B为金属铁，铁和铁离子反应生成亚铁离子，过滤得到滤液为硫酸亚铁溶液，通过蒸发浓缩、冷却结晶、过滤洗涤、干燥得到硫酸亚铁晶体；
（3）用NaOH溶液吸收废气中的SO₂，将所得的Na₂SO₃溶液进行电解，可循环再生NaOH，同时得到H₂SO₄，依据图中离子移动方向判断，a为阴极，与之连接的电池电极为负极，b为阳极，与之连接的电池电极为正极，
①分析可知b为阳极，要连接电源的正极；
②SO₃^2-放电失电子生成硫酸根离子，结合电荷守恒和原子守恒陪陪书写电极反应；
③原电池工作时，电子从负极流出，经导线流向正极，电流与电子流向相反，甲烷作燃料在负极失电子被氧化成二氧化碳，二氧化碳与电解质氢氧化钠溶液发生反应，生成二氧化碳和水，电极反应为：CH₄-8e^-+10OH^-═CO₃^2-+7H₂O，氧气在正极得电子发生还原反应：O₂+4e^-+2H₂O═4OH^-，依据电子守恒计算．

解答 解：（1）①用O₂表示的反应速率为0.04mol/（L•s），反应速率之比等于化学方程式计量数之比，
则v（SO₃）=2v（O₂）=2×0.04mol/（L•s）=0.08mol/（L•s），
故反应时间=$\frac{0.4mol/L}{0.08mol/（L•s）}$=5s，
故答案为：5；
②反应是气体体积减小的放热反应，
A．容器内硫元素物质的量分数始终不变，不能说明反应达到平衡状态，故A错误；      
B．反应前后气体质量不变，气体物质的量减小，当混合物的平均相对分子质量不变，说明反应达到平衡状态，故B正确；
C．n（SO₂）：n（O₂）：n（SO₃）=2：1：2  是化学反应之比，不能说明反应达到化学平衡状态，故C错误；
 D．各组分的体积分数不变式平衡标志，故D正确；
故答案为：BD；
（2）烧渣ag主要成分是Fe₂O₃及少量FeS、SiO₂，加入溶液A为稀硫酸，溶解过滤得到溶液X为硫酸铁和硫酸亚铁，加入固体B为金属铁，铁和铁离子反应生成亚铁离子，过滤得到滤液为硫酸亚铁溶液，通过蒸发浓缩、冷却结晶、过滤洗涤、干燥得到硫酸亚铁晶体，
操作I是分离溶液和固体的操作，名称为：过滤，溶液A的溶质为稀硫酸，固体B为Fe，
故答案为：过滤；硫酸；  Fe；
（3）①依据图中离子移动方向判断，a为阴极，与之连接的电池电极为负极，b为阳极，与之连接的电池电极为正极，
故答案为：正；
②SO₃^2-放电失电子生成硫酸根离子，电极反应为：SO₃^2--2e^-+H₂O=SO₄^2-+2H⁺，
故答案为：SO₃^2--2e^-+H₂O=SO₄^2-+2H⁺；
③甲烷作燃料在负极失电子被氧化成二氧化碳，二氧化碳与电解质氢氧化钠溶液发生反应，生成二氧化碳和水，电极反应为：CH₄-8e^-+10OH^-═CO₃^2-+7H₂O，氧气在正极得电子发生还原反应：O₂+4e^-+2H₂O═4OH^-，
处理标准状况下40m³的废气（其中SO₂的体积分数为0.2 ），二氧化硫物质的量=$\frac{40{m}^{3}×0.2×1000L/{m}^{3}}{22.4L/mol}$，电解中阳极电极反应为：SO₃^2--2e^-+H₂O=SO₄^2-+2H⁺，
电子转移为n=$\frac{40{m}^{3}×0.2×1000L/{m}^{3}}{22.4L/mol}$×2=714.28mol，
CH₄～8e^-～4SO₃^2-～8e^-
理论上需要消耗标准状况下甲烷物质的量n（CH₄）=$\frac{714.28mol}{8}$=89.29mol，
理论上需要消耗标准状况下甲烷体积=89.29mol×22.4L/mol=2000L=2m³，
故答案为：2．

点评 本题考查了物质实验制备、化学反应速率、化学平衡状态判断、原电池和电解池的原理和电极反应书写，掌握基础是解题关键，题目难度中等．