Question

14．硫-氨热化学循环制氢示意图如图1：
（1）反应Ⅱ是将太阳能转化为电能，再转化为化学能，电解池阳极的电极反应式SO₃^2--2e^-+H₂O=SO₄^2-+2H⁺；
（2）反应Ⅲ中控制反应条件很重要，不同条件下硫酸铵分解产物不同．连接装置A-B-C，检查气密性，按如图2所示重新加入试剂．通入N₂排尽空气后，于400℃加热装置A 至（NH₄）₂SO₄完全分解无残留物，停止加热，冷却，停止通入N₂．观察到装置A、B之间的导气管内有少量白色固体．经检验，该白色固体和装置B内溶液中有SO₃^2-，无SO₄^2-．进一步研究发现，气体产物中无氮氧化物．（NH₄）₂ SO₄在400℃分解的化学方程式是：3（NH₄）₂SO₄$\frac{\underline{\;600℃\;}}{\;}$4NH₃↑+3SO₂↑+6H₂O↑+N₂↑；
（3）反应Ⅳ：2H₂SO₄（l）═2SO₂（g）+O₂（g）+2H₂O（l）△H=+462kJ/mol，它由两步反应组成：i．H₂SO₄（l）═SO₃（g）+H₂O（g）△H=+177kJ/mol
ii．SO₃（g）分解．
iii．H₂O（l）═H₂O（g）△H=+44kJ/mol
①L（L₁、L₂），X可分别代表压强或温度．如图3表示  L一定时，ii中SO₃（g）的平衡转化率随X的变化关系．
i．X代表的物理量是：压强，
ii．判断L₁、L₂的大小关系，并简述理由：L₁＜L₂ SO₃分解吸热，在压强相同的情况下，随温度的升高，SO₃的转化率增大；
②反SO₃分解的热化学方程式为：2SO₃（g）═2SO₂（g）+O₂（g）△H=+196kJ/mol；
（4）恒温密闭容器中，控制不同温度进行SO₃分解实验．SO₃起始浓度均为 cmol•L^-1，测定SO₃的转化率，结果如图4，图中Ⅰ曲线为SO₃的平衡转化率与温度的关系，Ⅱ曲线表示不同温度下反应经过相同反应时间且未达到化学平衡时SO₃的转化率．
①图中点X点处的平衡常数K=0.675c，
②Y点对应温度下的反应速率：v_（正）＞v_（逆） （选填：＞，＜，=）；随温度的升高，Ⅱ曲线逼近Ⅰ曲线的原因是：温度升高，反应速率加快，达到平衡所需要的时间缩短．

Answer 1

分析 （1）据图分析，反应Ⅱ是太阳能转化为电能，电解亚硫酸铵生成硫酸铵和氢气，
（2）反应Ⅲ分析可知，不同条件下硫酸铵分解产物不同，（NH₄）₂SO₄在400℃分解时，有NH₃、SO₂、H₂O生成，S元素化合价降低，根据电子转移守恒，只能为N元素化合价升高，气体产物中无氮氧化物，说明生成N₂，配平书写方程式；
（3）①i．由图可知，X．越大，转化率越低；
ii．分解反应为吸热反应，温度高，转化率大；
②a.2H₂SO₄（l）═2SO₂（g）+O₂（g）+2H₂O（l）△H=+462kJ/mol，
b．H₂SO₄（l）═SO₃（g）+H₂O（g）△H=+177kJ/mol
c．H₂O（l）═H₂O（g）△H=+44kJ/mol
盖斯定律计算2c+a-2b得到SO₃（g）分解的热化学方程式；
（4）①恒温密闭容器中，控制不同温度进行SO₃分解实验．SO₃起始浓度均为 cmol•L^-1，测定SO₃的转化率在X点为60%，结合平衡三行计算得到平衡浓度计算得到平衡常数；
②Y点时反应还没有达到平衡状态，正向进行；温度的升高，曲线b向曲线a逼近，反应速率加快．

解答 解：（1）反应Ⅱ是太阳能转化为电能，电解亚硫酸铵生成硫酸铵和氢气，阳极上是亚硫酸根离子得到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⁺；
（2）分析可知，（NH₄）₂SO₄在400℃分解时，有NH₃、SO₂、H₂O生成，S元素化合价降低，根据电子转移守恒，只能为N元素化合价升高，气体产物中无氮氧化物，说明生成N₂，分解反应方程式为：3（NH₄）₂SO₄$\frac{\underline{\;600℃\;}}{\;}$4NH₃↑+3SO₂↑+6H₂O↑+N₂↑，
故答案为：3（NH₄）₂SO₄$\frac{\underline{\;600℃\;}}{\;}$4NH₃↑+3SO₂↑+6H₂O↑+N₂↑；
（3）①i．由图可知，X越大，转化率越低，升高温度转化率增大，则X表示压强，故答案为：压强；
ii．由2SO₃（g）=2SO₂（g）+O₂（g）△H＞0，在压强相同的情况下，温度高，转化率大，图中等压强时L₂对应的转化率大，则L₁＜L₂，
故答案为：L₁＜L₂     SO₃分解吸热，在压强相同的情况下，随温度的升高，SO₃的转化率增大；
②a.2H₂SO₄（l）═2SO₂（g）+O₂（g）+2H₂O（l）△H=+462kJ/mol，
b．H₂SO₄（l）═SO₃（g）+H₂O（g）△H=+177kJ/mol
c．H₂O（l）═H₂O（g）△H=+44kJ/mol
盖斯定律计算2c+a-2b得到SO₃（g）分解的热化学方程式为2SO₃（g）=2SO₂（g）+O₂（g）△H=+196kJ•mol^-1，
故答案为：2SO₃（g）═2SO₂（g）+O₂（g）△H=+196kJ/mol；
（4）①恒温密闭容器中，控制不同温度进行SO₃分解实验．SO₃起始浓度均为 cmol•L^-1，测定SO₃的转化率在X点为60%，
                      2SO₃（g）=2SO₂（g）+O₂（g）
起始量（mol） c                0            0
转化量（mol）0.6c             0.6c       0.3c
平衡量（mol）c-0.6c         0.6c        0.3c
平衡常数K=$\frac{0.3c×（0.6c）^{2}}{（0.4c）^{2}}$=0.675c，
故答案为：0.675c；
②Y点时反应还没有达到平衡状态，正向进行，所以正反应速率大于逆反应速率，温度的升高，曲线b向曲线a逼近，反应速率加快，达到平衡时的时间缩短，
故答案为：＞；温度升高，反应速率加快，达到平衡所需要的时间缩短；

点评 本题考查学生根据图象获取信息的能力，涉及电极式的书写、化学反应速率、化学平衡影响因素、平衡常数计算、盖斯定律等，综合知识的应用，题目难度中等．