Question

12．硫酸工業產生的尾氣中含有大氣污染物SO₂，除可以回收生產硫酸外，還可用于合成有重要應用價值的硫化鈣、硫酸鉀、亞硫酸銨等物質，合成路線如圖所示．
（1）反應I的化學方程式為2CaCO₃+2SO₂+O₂═2CaSO₄+2CO₂．
（2）反應Ⅱ中應將SO₂尾氣通入過量（填“過量”或“少量”）氨水中，反應過程中（NH₄）₂SO₃•H₂O可能會被氧化，檢驗其是否被氧化所需試劑有稀鹽酸、BaCl₂溶液．
（3）反應Ⅲ中氧化劑與還原劑的物質的量之比為1：4，反應Ⅳ溫度不能過高的原因是防止溫度過高NH₄HCO₃分解．
（4）反應V需在25℃、40%的乙二醇溶液中進行，不斷有硫酸鉀晶體從溶液中析出，硫酸鉀的產率可超過90%，選用40%乙二醇溶液的原因是乙二醇是有機溶劑能減小K₂SO₄的溶解度，使硫酸鉀充分析出，該反應的化學方程式為（NH₄）₂SO₄+2KCl=K₂SO₄↓+2NH₄Cl．
（5）CaSO₄是一種微溶物，20℃時其溶解度為0.272，若溶液的密度為1.00g•cm^-3，則此溫度下CaSO₄的溶度積常數K_sp約為4.0×10^-4．鍋爐水垢中的CaSO₄常用Na₂CO₃濃溶液和稀鹽酸先后浸泡除去，用化學平衡原理解釋清洗CaSO₄的過程：由Ksp數據可知，碳酸鈣更難溶，則清洗CaSO₄的過程為CaSO₄在水中存在平衡CaSO₄（s）?Ca²⁺（aq）+SO₄^2-（aq），用Na₂CO₃溶液浸泡后，Ca²⁺與CO₃^2-結合成更難溶的CaCO₃，使上述平衡右移，CaSO₄轉化成CaCO₃，然后用鹽酸除去[該溫度下K_sp（CaCO₃）=1.9×10^-8]．

Answer 1

分析 由流程可知，I中發生2CaCO₃+O₂+2SO₂=2CaSO₄+2CO₂，反應Ⅳ為NH₄HCO₃、CaSO₄、NH₃反應生成碳酸鈣和硫酸銨，發生NH₄HCO₃+NH₃+CaSO₄=CaCO₃↓+（NH₄）₂SO₄，可知CaCO₃、CO₂可循環使用，反應Ⅴ為硫酸銨溶液中加入氯化鉀生成硫酸鉀晶體，所以操作b為過濾，濾液中含有的陽離子為銨根離子，Ⅱ中發生SO₂+2NH₃．H₂O=（NH₄）₂SO₃+H₂O，Ⅲ中發生CaSO₄+4C=CaS+4CO↑，
（1）碳酸鈣、二氧化硫和氧氣反應生成硫酸鈣和二氧化碳，根據反應物和生成物寫出反應的化學方程式；
（2）亞硫酸氨中的硫為+4價，易被空氣中的氧氣氧化；
（3）反應Ⅲ化學方程式為：CaSO₄+4C=CaS+4CO↑，根據元素的化合價變化來分析氧化劑及還原劑，氧化劑為CaSO₄，還原劑為C，利用化學反應方程式來分析氧化劑與還原劑的物質的量之比，溫度過高NH₄HCO₃分解；
（4）利用硫酸鉀在不同溶劑中溶解度的不同，達到析出晶體的目的；
（5）硫酸鈣難以除去，可加入碳酸鈉轉化為碳酸鈣，加入鹽酸和除去．

解答 解：（1）碳酸鈣、二氧化硫和氧氣反應生成硫酸鈣和二氧化碳，方程式為2CaCO₃+2SO₂+O₂═2CaSO₄+2CO₂，
故答案為：2CaCO₃+2SO₂+O₂═2CaSO₄+2CO₂；
（2）氨水過量才生成（NH₄）₂SO₃•H₂O，若氨水不足則生成NH₄HSO₃，（NH₄）₂SO₃•H₂O中硫元素化合價+4價，易被氧化生成SO₄^2-，在含有SO₃^2-的溶液中檢驗SO₄^2-，先加過量BaCl₂溶液，再加入過量的鹽酸，弱生成白色沉淀部分溶解說明溶液中含有SO₄^2-，
故答案為：過量；稀鹽酸、BaCl₂溶液；
（3）反應Ⅲ化學方程式為：CaSO₄+4C=CaS+4CO↑，氧化劑為CaSO₄，還原劑為C，氧化劑與還原劑物質的量之比為1：4，溫度過高NH₄HCO₃分解，反應Ⅳ溫度不能過高的原因是防止溫度過高NH₄HCO₃分解，
故答案為：1：4；防止溫度過高NH₄HCO₃分解；
（4）反應V中選用了40%的乙二醇溶液，溫度控制在25℃，此時硫酸鉀的產率超過90%，選用40%的乙二醇溶液原因是利用乙二醇降低硫酸鉀溶解度，有利于析出，反應的化學方程式為：（NH₄）₂SO₄+2KCl=K₂SO₄↓+2NH₄Cl，
故答案為：乙二醇是有機溶劑能減小K₂SO₄的溶解度，使硫酸鉀充分析出；（NH₄）₂SO₄+2KCl=K₂SO₄↓+2NH₄Cl；
（5）CaSO₄是一種微溶物，20℃時其溶解度為0.272，若溶液的密度為1.00g•cm^-3，計算硫酸鈣飽和溶液中的物質的量濃度，c=$\frac{1000×1.00×\frac{0.272}{100+0.272}}{136}$mol/L，則此溫度下CaSO₄的溶度積常數K_sp=c（Ca²⁺）c（SO₄^2-）=（$\frac{1000×1.00×\frac{0.272}{100+0.272}}{136}$mol）²=4.0×10^-4，
由Ksp數據可知，碳酸鈣更難溶，則清洗CaSO₄的過程為CaSO₄在水中存在平衡CaSO₄（s）?Ca²⁺（aq）+SO₄^2-（aq），用Na₂CO₃溶液浸泡后，Ca²⁺與CO₃^2-結合成更難溶的CaCO₃，使上述平衡右移，CaSO₄轉化成CaCO₃，然后用鹽酸除去，所以鍋爐水垢中的CaSO₄常用Na₂CO₃濃溶液和稀鹽酸先后浸泡除去，
故答案為：4.0×10^-4；由Ksp數據可知，碳酸鈣更難溶，則清洗CaSO₄的過程為CaSO₄在水中存在平衡CaSO₄（s）?Ca²⁺（aq）+SO₄^2-（aq），用Na₂CO₃溶液浸泡后，Ca²⁺與CO₃^2-結合成更難溶的CaCO₃，使上述平衡右移，CaSO₄轉化成CaCO₃，然后用鹽酸除去．

點評 本題考查了物質分離提純、物質性質、物質制備實驗方案分析、溶度積常數計算等知識點，掌握基礎是解題關鍵，題目難度中等．