Question

7．明礬石經(jīng)處理后得到明礬[KAl（SO₄）₂•12H₂O]．從明礬制備Al、K₂SO₄和H₂SO₄的工藝過程如圖所示：

焙燒明礬的化學(xué)方程式為：4KAl（SO₄）₂•12H₂O+3S=2K₂SO₄+2Al₂O₃+9SO₂↑+48H₂O．
請回答下列問題：
（1）在焙燒明礬的反應(yīng)中，還原劑是S （填化學(xué)式）
（2）工業(yè)由Al₂O₃冶煉Al的化學(xué)方程式為2Al₂O₃$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$4Al+3O₂↑
（3）工業(yè)生產(chǎn)硫酸涉及如下過程：利用電化學(xué)法生產(chǎn)硫酸，可使絕大多數(shù)硫磺直接轉(zhuǎn)化為SO₃，已知下列反應(yīng)的能量變化示意圖：

①寫出S（s）與O₂（g）反應(yīng)生成SO₃（g）的熱化學(xué)方程式S（s）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=SO₃（g）△H=-395.7kJ/mol工業(yè)制硫酸的主要反應(yīng)之一是將SO₂轉(zhuǎn)化為SO₃．
②寫出工業(yè)上將SO₂轉(zhuǎn)化為SO₃的化學(xué)方程式2SO₂+O₂$?_{△}^{催化劑}$2SO₃
③在恒溫、恒容的密閉容器中，下列描述能說明②中反應(yīng)已達(dá)化學(xué)平衡狀態(tài)的是bc（填字母序號）．
a．容器中c（SO₂）=c（SO₃）                 b．生成1molO₂的同時(shí)，生成2molSO₃
c．容器中體系的總壓強(qiáng)不隨時(shí)間而變化        d．容器中混合氣體的密度不隨時(shí)間而變化
④一定溫度下，在2L的恒容密閉容器中投入0.4molSO₂和0.24molO₂．達(dá)到平衡時(shí)，SO₂的轉(zhuǎn)化率為80%．則該溫度下的化學(xué)平衡常數(shù)為400
（4）以Al和NiO（OH）為電極，NaOH溶液為電解液組成一種新型電池，放電時(shí)NiO（OH）轉(zhuǎn)化為Ni（OH）₂，該電池正極所發(fā)生的電極反應(yīng)式為NiO（OH）+H₂O+e^-═Ni（OH）₂+OH^-
（5）焙燒948噸明礬（M=474g/mol），若SO₂的利用率為96%，可生產(chǎn)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98%的硫酸432噸．

Answer 1

分析 （1）依據(jù)化學(xué)方程式中元素化合價(jià)變化分析判斷，元素化合價(jià)升高的做還原劑發(fā)生氧化反應(yīng)；
（2）用電解熔融的三氧化二鋁制得鋁；
（3）①由圖可知，S（s）+O₂（g）=SO₂（g）△H=-297.0kJ/mol，SO₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=SO₃（g）△H=-98.7kJ/mol，結(jié)合蓋斯定律分析；
②SO₂轉(zhuǎn)化為SO₃的化學(xué)方程式2SO₂+O₂$?_{△}^{催化劑}$2SO₃；
③當(dāng)反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，正逆反應(yīng)速率相等，各物質(zhì)的濃度、百分含量不變，以及由此衍生的一些量也不發(fā)生變化，注意選擇的物理量應(yīng)隨反應(yīng)發(fā)生變化，該物理量由變化到不變化，說明到達(dá)平衡；
④根據(jù)化學(xué)平衡常數(shù)表達(dá)式K=$\frac{c{\;}^{2}（SO{\;}_{3}）}{c{\;}^{2}（SO{\;}_{2}）•c（O{\;}_{2}）}$計(jì)算；
（4）放電時(shí)NiO（OH）轉(zhuǎn)化為Ni（OH）₂，Ni元素化合價(jià)降低，被還原，應(yīng)為原電池正極反應(yīng)；
（5）根據(jù)硫原子守恒進(jìn)行計(jì)算；

解答 解；（1）4KAl（SO₄）₂•12H₂O+3S═2K₂SO₄+2Al₂O₃+9SO₂+48H₂O反應(yīng)硫單質(zhì)中硫元素化合價(jià)升高為+4價(jià)．硫酸根離子中硫元素化合價(jià)從+6價(jià)變化為+4價(jià)，復(fù)印紙還原劑是硫單質(zhì)；
故答案為：S；
（2）用電解熔融的三氧化二鋁制得鋁，方程式為：2Al₂O₃$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$4Al+3O₂↑，故答案為：2Al₂O₃$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$4Al+3O₂↑；
（3）①由圖可知，S（s）+O₂（g）=SO₂（g）△H=-297.0kJ/mol，SO₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=SO₃（g）△H=-98.7kJ/mol，
由蓋斯定律可知，兩個(gè)反應(yīng)相加可得S（s）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=SO₃（g）△H=-297.0kJ/mol+（-98.7kJ/mol）=-395.7kJ/mol，
故答案為：S（s）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=SO₃（g）△H=-395.7kJ/mol；
②SO₂轉(zhuǎn)化為SO₃的化學(xué)方程式2SO₂+O₂$?_{△}^{催化劑}$2SO₃；故答案為：2SO₂+O₂$?_{△}^{催化劑}$2SO₃；
③a．容器中c（SO₂）=c（SO₃），不能說明到達(dá)平衡，故a錯(cuò)誤；
b．生成1molO₂的同時(shí)，生成2molSO₃，則正逆反應(yīng)速率相等，能說明到達(dá)平衡，故b正確；
c．該反應(yīng)為壓強(qiáng)減小的反應(yīng)，則容器中體系的總壓強(qiáng)不隨時(shí)間而變化，能說明到達(dá)平衡，故c錯(cuò)誤；
d．容器的容積不變，混合氣體的總質(zhì)量不變，混合氣體密度始終不變，密度不隨時(shí)間而變化，不能說明到達(dá)平衡，故d錯(cuò)誤，
故選bc；
④根據(jù)反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)方程式：
    2SO₂（g）+O₂ （g）?2SO₃（g），
開始0.4       0.24      0
轉(zhuǎn)化0.4×80%=0.32 0.16   0.32
平衡0.08     0.08       0.32    
達(dá)到平衡時(shí)各組分的濃度為：c（SO₂）=$\frac{0.08mol}{2L}$=0.04mol/L，c（O₂）=0.04mol/L，c（SO₃）=$\frac{0.32mol}{2L}$=0.16mol/L，
該溫度下的平衡常數(shù)K=$\frac{c{\;}^{2}（SO{\;}_{3}）}{c{\;}^{2}（SO{\;}_{2}）•c（O{\;}_{2}）}$=$\frac{0.16{\;}^{2}}{0.04{\;}^{2}×0.04}$=400，故答案為：400；
（4）放電時(shí)NiO（OH）轉(zhuǎn)化為Ni（OH）₂，Ni元素化合價(jià)降低，被還原，應(yīng)為原電池正極反應(yīng)，電極方程式為NiO（OH）+H₂O+e^-═Ni（OH）₂+OH^-，
故答案為：NiO（OH）+H₂O+e^-═Ni（OH）₂+OH^-；
（5）明礬的物質(zhì)的量=$\frac{948×10{\;}^{6}g}{474g/mol}$=2×10⁶mol，根據(jù)方程式知，生成二氧化硫的物質(zhì)的量=$\frac{2×10{\;}^{6}mol}{4}$=4.5×10⁶mol，SO₂的利用率為96%，根據(jù)硫原子守恒知，硫酸的物質(zhì)的量=二氧化硫的物質(zhì)的量=4.32×10⁶mol，則98%的質(zhì)量=$\frac{4.32×10{\;}^{6}mol×98g/mol}{98%}$=4.32×10⁶g=432噸，故答案為：432．

點(diǎn)評 本題考查了氧化還原反應(yīng)的分析，蓋斯定律的計(jì)算，化學(xué)平衡的計(jì)算以及電極方程式的書寫等，題目難度中等，試題有利于培養(yǎng)學(xué)生的邏輯推理能力，提高學(xué)生靈活運(yùn)用基礎(chǔ)知識解決實(shí)際問題的能力及化學(xué)計(jì)算能力．