《2025年天利38套五年真题高考试题分类化学》

4.(2023·辽宁卷,14分)硫酸工业在国民经济中占有重要地位。
(1)我国古籍记载了硫酸的制备方法——“炼石胆${(CuSO_{4}· 5H_{2}O)}$取精华法”。借助现代仪器分析,该制备过程中${CuSO_{4}· 5H_{2}O}$分解的$TG$曲线(热重)及$DSC$曲线(反映体系热量变化情况,数值已省略)如图所示。$700\ ^{\circ}C$左右有两个吸热峰,则此时分解生成的氧化物有${SO_{2}}$、CuO和SO3(填化学式)。

(2)铅室法使用了大容积铅室制备硫酸($76\%$以下),副产物为亚硝基硫酸,主要反应如下:
${NO_{2} + SO_{2} + H_{2}O\xlongequal{}NO + H_{2}SO_{4}}$
${2NO + O_{2}\xlongequal{}2NO_{2}}$
(ⅰ)上述过程中${NO_{2}}$的作用为催化剂。
(ⅱ)为了适应化工生产的需求,铅室法最终被接触法所代替,其主要原因是$NO_2$是有毒气体，污染环境；铅室法制硫酸产品浓度低；铅室法制备硫酸存在副产物(答出两点即可)。
(3)接触法制硫酸的关键反应为${SO_{2}}$的催化氧化:
${SO_{2}(g) + \dfrac{1}{2}O_{2}(g)⇌ SO_{3}(g)}\ \ \ \Delta H=-98.9\ kJ/mol$
(ⅰ)为寻求固定投料比下不同反应阶段的最佳生产温度,绘制相应转化率$(\alpha)$下反应速率(数值已略去)与温度的关系如图所示,下列说法正确的是cd。

a. 温度越高,反应速率越大
b. $\alpha =0.88$的曲线代表平衡转化率
c. $\alpha$越大,反应速率最大值对应温度越低
d. 可根据不同$\alpha$下的最大速率,选择最佳生产温度
(ⅱ)为提高钒催化剂的综合性能,我国科学家对其进行了改良。不同催化剂下,温度和转化率关系如图所示,催化性能最佳的是d(填标号)。

(ⅲ)设${O_{2}}$的平衡分压为$p$,${SO_{2}}$的平衡转化率为$\alpha_{e}$,用含$p$和$\alpha_{e}$的代数式表示上述催化氧化反应的$K_{p}=$$\frac{\alpha_e}{\sqrt{p}(1 - \alpha_e)}$(用平衡分压代替平衡浓度计算)。

答案： 4.(14分)
(1)$CuO$ $SO_3$
(2)(ⅰ)催化剂 (ⅱ)$NO_2$是有毒气体，污染环境；铅室法制硫酸产品浓度低；铅室法制备硫酸存在副产物
(3)(ⅰ)cd (ⅱ)d (ⅲ)$\frac{\alpha_e}{\sqrt{p}(1 - \alpha_e)}$
[解析]化学反应原理综合
(1)由热重曲线可知600℃时，固体的质量为1.6mg，成分为$CuSO_4$，800℃时，固体的质量为0.8mg，成分为$CuO$，则700℃左右$CuSO_4$分解生成$CuO$，可能发生反应$CuSO_4\stackrel{700^{\circ}C}{=\!=\!=}CuO + SO_3\uparrow$、$2CuSO_4\stackrel{700^{\circ}C}{=\!=\!=}2CuO + 2SO_2\uparrow+O_2\uparrow$，则分解生成的氧化物有$SO_2$、$CuO$、$SO_3$。
(2)(ⅰ)由反应原理可知上述过程中$NO_2$作反应的催化剂。(ⅱ)由题意可知与接触法相比，铅室法主要存在的问题：得到的硫酸浓度较低；得到的硫酸存在副产物；使用氮氧化物作催化剂，污染环境。
(3)(ⅰ)由图像可知，当转化率一定时，随着温度的升高，反应速率先增大后减小，a错误；由图像可知，相同温度下，转化率可以达到0.90和0.92，则0.88的曲线不能代表平衡转化率，b错误；由图像可知，$\alpha$越大，反应速率最大值对应温度越低，c正确；实际生产时，可根据不同$\alpha$下最大速率选择最佳生产温度，d正确。(ⅱ)由图像可知，相同温度下使用d作为催化剂时，$SO_2$的转化率最大。(ⅲ)设起始时$SO_2$的物质的量为1mol，据此列出三段式：
$SO_2(g)+\frac{1}{2}O_2(g)\rightleftharpoons SO_3(g)$
起始(mol) 1 0
转化(mol) $\alpha_e$ $\alpha_e$
平衡(mol) $1 - \alpha_e$ $\alpha_e$
则平衡时$\frac{p(SO_3)}{p(SO_2)}=\frac{\alpha_e}{1 - \alpha_e}$，则$K_p=\frac{\alpha_e}{(1 - \alpha_e)× p^{\frac{1}{2}}}$。