Question

运用化学反应原理研究氮、硫等单质及其化合物的反应有重要意义

（1）硫酸生产过程中2SO₂(g)＋O₂(g)2SO₃(g)，平衡混合体系中SO₃的百分含量和温度的关系如图所示，根据图回答下列问题：

①2SO₂(g)+O₂(g)2SO₃(g)的△H__________0（填“＞”或“＜”）。

②一定条件下，将SO₂与O₂以体积比2:1置于一体积不变的密闭容器中发生以上反应，能说明该反应已达到平衡的是         。

a．体系的密度不发生变化

b．SO₂与SO₃的体积比保持不变

c．体系中硫元素的质量百分含量不再变化

d．单位时间内转移4 mol 电子，同时消耗2 mol SO₃

e．容器内的气体分子总数不再变化

（2）一定的条件下，合成氨反应为：N₂(g)+3H₂(g)2NH₃(g)。图1表示在此反应过程中的能量的变化，图2表示在2L的密闭容器中反应时N₂的物质的量随时间的变化曲线。图3表示在其他条件不变的情况下，改变起始物氢气的物质的量对此反应平衡的影响。

图1                     图2                  图3

①该反应的平衡常数表达式为               ，升高温度，平衡常数          （填“增大”或“减小”或“不变”）。

②由图2信息，计算0～10min内该反应的平均速率v(H₂)＝                    ，从11min起其它条件不变，压缩容器的体积为1L，则n(N₂)的变化曲线为       。

③图3 a、b、c三点所处的平衡状态中，反应物N₂的转化率最高的是       点，温度T₁    T₂（填“＞”或“＝”或“＜”）

（3）若将等物质的量的SO₂与NH₃溶于水充分反应，所得溶液呈        性，所得溶液中c（H⁺）－ c（OH^－）＝                                              （已知：H₂SO₃：Ka₁＝1.7×10^－2，Ka₂＝6.0×10^－8，NH₃·H₂O：Kb＝1.8×10^－5）

 

Answer 1

【答案】

（1）①＜（2分） ② be（2分）（2）①k＝（1分） 减小（1分）

②0.045mol/(L·min)   （2分）     d（2分）  ③c（1分）     ＜（2分）

（3）酸性（1分）  c(HSO₃^－) + 2c(SO₃^2－)—c(NH₄⁺)或c(SO₃^2－) + c(NH₃·H₂O)—c(H₂SO₃)（2分）

【解析】

试题分析：（1）①由图可知，温度越高SO₃的含量越低，这说明升高温度平衡向逆反应移动，所以正反应是放热反应，即△H＜0。

②在一定条件下，当可逆反应的正反应速率和逆反应速率相等时（但不为0），反应体系中各种物质的浓度或含量不再发生变化的状态，称为化学平衡状态，据此可以判断。a．密度是混合气的质量和容器容积的比值，在反应过程中质量和容积始终是不变的，因此容器中气体的密度始终是不变的，所以体系的密度不发生变化不能说明反应达到平衡状态，a不正确；b．SO₂与SO₃的体积比保持不变，说明正反应速率不再发生变化，反应达到平衡状态，b正确；c．由于SO₂与O₂以体积比2:1置于一体积不变的密闭容器中发生以上反应，因此体系中硫元素的质量百分含量始终是不变的，所以体系中硫元素的质量百分含量不再变化不能说明反应达到平衡状态，c不正确；d．S元素的化合价从＋4价升高到＋6价，失去2个电子，所以单位时间内转移4 mol 电子，同时一定消耗2mol SO₃，因此不能说明反应达到平衡状态，d不正确；e．该反应是气体分子数减小的可逆反应，所以当容器内的气体分子总数不再变化时可以说明反应达到平衡状态，e正确，答案选be。

（2）①化学平衡常数是在一定条件下，当可逆反应达到平衡状态时，生成物浓度的幂之积和反应物浓度的幂之积的比值，所以根据方程式N₂(g)+3H₂(g)2NH₃(g)可知，该反应的平衡常数表达式K＝。根据图1可知，反应物的总能量高于生成物的总能量，因此正方应是一个放热反应，升高温度，平衡向逆反应方向移动，所以生成物的浓度减小，反应物的浓度增大，因此平衡常数减小。

②根据图2可知，0～10min内氮气的物质的量减少了0.6mol－0.3mol＝0.3mol，则根据方程式可知氢气的物质的量减少了0.3mol×3＝0.9mol，其浓度＝0.9mol÷2L＝0.45mol/L，所以0～10min内该反应的平均速率v(H₂)＝0.45mol/L÷10min＝0.045mol/(L·min)。从11min起其它条件不变，压缩容器的体积为1L，则压强增大平衡向正反应方向移动，氮气的物质的量减少，因此n(N₂)的变化曲线为d。

③图3表示平衡时氨气含量与氢气起始物质的量关系，曲线上各点都处于平衡状态，故a、b、c都处于平衡状态。达平衡后，增大氢气用量，氮气的转化率增大，故a、b、c三点中，c的氮气的转化率最高。由图3可知，氢气的起始物质的量相同时，温度T₁平衡后，氨气的含量更高，该反应为放热反应，降低温度平衡向正反应移动，增大氨气的含量，故温度T₁＜T₂。

（3）将等物质的量的SO₂与NH₃溶于水充分反应，二者恰好反应生成NH₄HSO₃。根据H₂SO₃：Ka₁＝1.7×10^－2，Ka₂＝6.0×10^－8，NH₃·H₂O：Kb＝1.8×10^－5可知，电离程度是H₂SO₃＞NH₃·H₂O＞HSO₃^－，这说明在NH₄HSO₃溶液中HSO₃^－的电离程度大于NH₄^＋的水解程度，因此该溶液显酸性。根据电荷守恒可知c（H⁺）＋c(NH₄⁺)＝c（OH^－）＋c(HSO₃^－) ＋ 2c(SO₃^2－)，所以c（H⁺）－ c（OH^－）＝c(HSO₃^－) + 2c(SO₃^2－)—c(NH₄⁺)。根据物料失衡可知c(HSO₃^－) ＋c(SO₃^2－)＋ c(H₂SO₃)＝c(NH₃·H₂O)＋c(NH₄⁺)，所以c（H⁺）－ c（OH^－）＝c(SO₃^2－) + c(NH₃·H₂O)—c(H₂SO₃)。

考点：考查反应热和平衡状态的判断、外界条件对平衡状态的影响、平衡常数和反应速率的计算以及溶质离子浓度大小比较