工业上接触法生产硫酸的主要反应之一是：在一定的温度、压强和钒催化剂存在的条件下，SO2被空气中的O2氧化为SO3。（1）V2O5是钒催化剂的活性成分，郭汗贤等提出：V2O5在对反应I的

Question

工业上接触法生产硫酸的主要反应之一是：在一定的温度、压强和钒催化剂存在的条件下，SO₂被空气中的O₂氧化为SO₃。

    （1）V₂O₅是钒催化剂的活性成分，郭汗贤等提出：V₂O₅在对反应I的催化循环过程中，经历了Ⅱ、Ⅲ两个反应阶段，图示如下：

①有关气体分子中1mol化学键断裂时需要吸收的能量数据如下：

    由此计算反应I的△H=     kJ．mol^-1。

    ②反应Ⅱ、Ⅲ的化学方程式为    、____    。

（2）某实验从废钒催化剂（主要成分为V₂O₅和V₂O₄）中回收V₂O₅，其简要过程如下：

①VO₂⁺和VO²⁺可看成是钒相应价态的简单阳离子完全水解的产物。写出水解生成VO₂⁺的离子方程式：    。

②在沉钒时，为使钒元素的沉淀率达到98%，至少应调节溶液中的c(NH₄⁺)为[25℃，Ksp(NH₄VO₃)=1.6×10 ^-3，溶液体积变化忽略不计]。

（3）在保持体系总压为0.1 MPa的条件下进行反应：SO₂(g)+1/2O₂(g)SO₃(g)，原料气中SO₂和O₂的物质的量之比（k）不同时，SO₂的平衡转化率与温度(t)的关系如右图所示：

                                                        

    ①图中k₁、k₂、 k₃的大小顺序为____，理由是____。

    ②该反应的化学平衡常数Kp表达式为  （用平衡分压代替平衡浓度表示）。图中A点原料气的成分是：n(SO₂)：n(O₂)：n(N₂)=7：11: 82，达平衡时SO₂的分压p( SO₂)的计算式为_  ___（分压=总压×物质的量分数）。

③近年，有人研发出用氧气代替空气的新工艺，使SO₂趋于完全转化。此工艺的优点除了能充分利用含硫的原料外，主要还有____。

Answer 1

【答案】（1）①- 98kJ·mol^-1；②SO₂+V₂O₅V₂O₄·SO₃，V₂O₄·SO₃ +O₂^2V2O5+2SO3。

（2）①V⁵⁺+2H₂OVO₂⁺+4H^＋；②0.8mol/L。

（3）①k₁＞k₂＞k₃，相同温度和压强下，k值减小，O₂浓度增大，平衡正向移动，SO₂的平衡转化率增大；②Kp=P(SO₃)/P(SO₂)P^1/2(O₂)。0.1 MPa ×（7-7×88%）/（100-0.5×7×88%）。③无尾气排放，不污染环境。

【解析】

试题分析：（1）①化学反应的焓变等于反应物的键能之和减去生成物的键能之和，结合题给数据计算反应SO₂(g)+1/2O₂(g) SO₃(g)；ΔH =（535×2+1/2×496-3×472）kJ·mol^-1=- 98kJ·mol^-1。

    ②根据题给转化关系知反应Ⅱ的化学方程式为SO₂+V₂O₅V₂O₄·SO₃，反应Ⅲ的化学方程式为2V₂O₄·SO₃ +O₂^2V2O5+2SO3。

（2）①根据题给信息知VO₂⁺中钒元素的化合价为+5价，V⁵⁺完全水解生成VO₂⁺，离子方程式为V⁵⁺+2H₂OVO₂⁺+4H^＋。②在沉钒时，起始溶液中VO₃⁺浓度为0.1mol/L，钒元素的沉淀率达到98%，沉钒后溶液中VO₃^-浓度为0.002mol/L，结合Ksp(NH₄VO₃)= c(NH₄⁺) c(VO₃^-)=1.6×10 ^-3，至少应调节溶液中的c(NH₄⁺)为0.8mol/L。

（3）①当其他条件不变时，增大氧气的浓度，平衡正向移动，SO₂的平衡转化率增大，即SO₂和O₂的物质的量之比越大，SO₂的平衡转化率越小，根据图像知当温度相同时，k₁时SO₂的平衡转化率最小，k₁最大，k₃时SO₂的平衡转化率最大，k₃最小，故图中k₁、k₂、 k₃的大小顺序为k₁＞k₂＞k₃，理由是相同温度和压强下，k值减小，O₂浓度增大，平衡正向移动，SO₂的平衡转化率增大。②该反应的化学平衡常数Kp表达式为Kp=P(SO₃)/P(SO₂)P^1/2(O₂)。设图中A点原料气的成分是：n(SO₂)=7mol，n(O₂)=11mol，n(N₂)=82mol，达平衡时SO₂的平衡转化率为为88%，根据反应SO₂(g)+1/2O₂(g) SO₃(g)结合差量法分析，达平衡时n(SO₂)=（7-7×88%）mol=0.84mol，n_总=（100-0.5×7×88%）mol ，达平衡时SO₂的分压p( SO₂)的计算式为0.1 MPa ×（7-7×88%）/（100-0.5×7×88%）。③用氧气代替空气的新工艺，使SO₂趋于完全转化。此工艺的优点除了能充分利用含硫的原料外，主要还有无尾气排放，不污染环境。

考点：考查反应热的计算，化学方程式、离子方程式的书写及化学平衡图像分析。