Question

8．用CaSO₄代替O₂與燃料CO反應，既可提高燃燒效率，又能得到高純CO₂，是一種高效、清潔、經濟的新型燃燒技術，反應①為主反應，反應②和③為副反應．
①$\frac{1}{4}$CaSO₄（s）+CO（g）?$\frac{1}{4}$CaS（s）+CO₂（g）△H₁=-47.3kJ?mol^-1
②CaSO₄（s）+CO（g）?CaO（s）+CO₂（g）+SO₂（g）△H₂=+210.5kJ?mol^-1
③CO（g）?$\frac{1}{2}$C（s）+$\frac{1}{2}$CO₂（g）△H₃=-86.2kJ?mol^-1
（1）反應2CaSO₄（s）+7CO（g）?CaS（s）+CaO（s）+6CO₂（g）+C（s）+SO₂（g）的△H=4△H₁+△H₂+2△H₃（用△H₁、△H₂和△H₃表示）
（2）反應①～③的平衡常數的對數lgK隨反應溫度T的變化曲線見圖，結合各反應的△H，歸納lgK～T曲線變化規律：a）當△H＞0時，lgK隨溫度升高而增大，當△H＜0時，lgK隨溫度升高而減小；b）當溫度同等變化時，△H的數值越大lgK的變化越大．
（3）向盛有CaSO₄的真空恒容密閉容器中充入CO，反應①于900℃達到平衡，c_平衡（CO）=8.0×10^-5 mol?L^-1，計算CO的轉化率（忽略副反應，結果保留兩位有效數字）．
（4）為減少副產物，獲得更純凈的CO₂，可在初始燃料中適量加入碳酸鈣．
（5）以反應①中生成的CaS為原料，在一定條件下經原子利用率100%的高溫反應，可再生CaSO₄，該反應的化學方程式為CaS+2O₂$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$CaSO₄；在一定條件下，CO₂可與對二甲苯反應，在其苯環上引入一個羧基，產物的結構簡式為．

Answer 1

分析 （1）已知：①$\frac{1}{4}$CaSO₄（s）+CO（g）?$\frac{1}{4}$CaS（s）+CO₂（g）△H₁=-47.3kJ?mol^-1
②CaSO₄（s）+CO（g）?CaO（s）+CO₂（g）+SO₂（g）△H₂=+210.5kJ?mol^-1
③CO（g）?$\frac{1}{2}$C（s）+$\frac{1}{2}$CO₂（g）△H₃=-86.2kJ?mol^-1
根據蓋斯定律，①×4+②+③×2可得：2CaSO₄（s）+7CO（g）?CaS（s）+CaO（s）+6CO₂（g）+C（s）+SO₂（g）；
（2）由圖可知，當△H＞0時，lgK隨溫度升高而增大，當△H＜0時，lgK隨溫度升高而減小；當溫度同等變化時，△H的數值越大lgK的變化越大；
（3）900℃時反應①的lgK=2，則平衡常數為10²，設出反應前CO濃度為cmol/L，根據平衡常數K=$\frac{c（C{O}_{2}）}{c（CO）}$列方程計算解答；
（4）混合氣體中含有二氧化硫，可以用碳酸鈣進行吸收；
（5）以反應①中生成的CaS為原料，在一定條件下經原子利用率100%的高溫反應，可再生CaSO₄，則另一種反應為氧氣；在一定條件下，CO₂可與對二甲苯反應，在其苯環上引入一個羧基，相當于用羧基取代苯環上的氫原子．

解答 解：（1）已知：①$\frac{1}{4}$CaSO₄（s）+CO（g）?$\frac{1}{4}$CaS（s）+CO₂（g）△H₁=-47.3kJ?mol^-1
②CaSO₄（s）+CO（g）?CaO（s）+CO₂（g）+SO₂（g）△H₂=+210.5kJ?mol^-1
③CO（g）?$\frac{1}{2}$C（s）+$\frac{1}{2}$CO₂（g）△H₃=-86.2kJ?mol^-1
根據蓋斯定律，①×4+②+③×2可得：2CaSO₄（s）+7CO（g）?CaS（s）+CaO（s）+6CO₂（g）+C（s）+SO₂（g），則△H=4△H₁+△H₂+2△H₃，
故答案為：4△H₁+△H₂+2△H₃；
（2）反應①、③為放熱反應，隨著溫度的升高，平衡常數K逐漸減小，則lgK逐漸減小，而反應②為吸熱反應，升高溫度，平衡常數K逐漸增大，則lgK逐漸增大，所以Ⅰ表示的為反應③、Ⅱ曲線表示的為反應②，可得變化規律為：當△H＞0時，lgK隨溫度升高而增大，當△H＜0時，lgK隨溫度升高而減小；
根據反應①和曲線Ⅰ（反應③反應）的反應熱可知，當溫度同等變化時，△H的數值越大lgK的變化越大，
故答案為：當△H＞0時，lgK隨溫度升高而增大，當△H＜0時，lgK隨溫度升高而減小；當溫度同等變化時，△H的數值越大lgK的變化越大；
（3）向盛有CaSO₄的真空恒容密閉容器中充入CO，反應方程式為：$\frac{1}{4}$CaSO₄（s）+CO（g）?$\frac{1}{4}$CaS（s）+CO₂（g），根據圖象曲線可知，反應①于900℃時lgK=2，平衡常數為10²=100，c_平衡（CO）=8.0×10^-5 mol•L^-1，設一氧化碳反應前濃度為c，則反應消耗的CO濃度=反應生成二氧化碳濃度=（c-8.0×10^-5）mol/L，平衡常數K=$\frac{c（C{O}_{2}）}{c（CO）}$=$\frac{c-8.0×1{0}^{-5}}{8.0×1{0}^{-5}}$=100，解得c=8.08×10^-3，一氧化碳的轉化率為：$\frac{8.0×1{0}^{-3}}{8.08×1{0}^{-3}}$×100%≈99%，
答：CO的轉化率為99%；
（4）混合氣體中含有二氧化硫，在原料中加入適量碳酸鈣，吸收二氧化硫，有利于獲得更純凈的CO₂，
故答案為：碳酸鈣；
（5）以反應①中生成的CaS為原料，在一定條件下經原子利用率100%的高溫反應，可再生CaSO₄，則另一種反應為為氧氣，該反應的化學方程式為：CaS+2O₂$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$CaSO₄；在一定條件下，CO₂可與對二甲苯反應，在其苯環上引入一個羧基，相當于用羧基取代苯環上的氫原子，對二甲苯中苯環上4個H原子位置等價，則該產物的結構簡式為：，
故答案為：CaS+2O₂$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$CaSO₄；．

點評 本題考查化學平衡計算、化學平衡常數、圖象分析、燃燒熱計算等，題目難度中等，注意掌握化學平衡常數的概念及計算方法．