Question

8．用CaSO₄代替O₂与燃料CO反应，既可提高燃烧效率，又能得到高纯CO₂，是一种高效、清洁、经济的新型燃烧技术，反应①为主反应，反应②和③为副反应．
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）反应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）反应①～③的平衡常数的对数lgK随反应温度T的变化曲线见图，结合各反应的△H，归纳lgK～T曲线变化规律：a）当△H＞0时，lgK随温度升高而增大，当△H＜0时，lgK随温度升高而减小；b）当温度同等变化时，△H的数值越大lgK的变化越大．
（3）向盛有CaSO₄的真空恒容密闭容器中充入CO，反应①于900℃达到平衡，c_平衡（CO）=8.0×10^-5 mol?L^-1，计算CO的转化率（忽略副反应，结果保留两位有效数字）．
（4）为减少副产物，获得更纯净的CO₂，可在初始燃料中适量加入碳酸钙．
（5）以反应①中生成的CaS为原料，在一定条件下经原子利用率100%的高温反应，可再生CaSO₄，该反应的化学方程式为CaS+2O₂$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$CaSO₄；在一定条件下，CO₂可与对二甲苯反应，在其苯环上引入一个羧基，产物的结构简式为．

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
根据盖斯定律，①×4+②+③×2可得：2CaSO₄（s）+7CO（g）?CaS（s）+CaO（s）+6CO₂（g）+C（s）+SO₂（g）；
（2）由图可知，当△H＞0时，lgK随温度升高而增大，当△H＜0时，lgK随温度升高而减小；当温度同等变化时，△H的数值越大lgK的变化越大；
（3）900℃时反应①的lgK=2，则平衡常数为10²，设出反应前CO浓度为cmol/L，根据平衡常数K=$\frac{c（C{O}_{2}）}{c（CO）}$列方程计算解答；
（4）混合气体中含有二氧化硫，可以用碳酸钙进行吸收；
（5）以反应①中生成的CaS为原料，在一定条件下经原子利用率100%的高温反应，可再生CaSO₄，则另一种反应为氧气；在一定条件下，CO₂可与对二甲苯反应，在其苯环上引入一个羧基，相当于用羧基取代苯环上的氢原子．

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
根据盖斯定律，①×4+②+③×2可得：2CaSO₄（s）+7CO（g）?CaS（s）+CaO（s）+6CO₂（g）+C（s）+SO₂（g），则△H=4△H₁+△H₂+2△H₃，
故答案为：4△H₁+△H₂+2△H₃；
（2）反应①、③为放热反应，随着温度的升高，平衡常数K逐渐减小，则lgK逐渐减小，而反应②为吸热反应，升高温度，平衡常数K逐渐增大，则lgK逐渐增大，所以Ⅰ表示的为反应③、Ⅱ曲线表示的为反应②，可得变化规律为：当△H＞0时，lgK随温度升高而增大，当△H＜0时，lgK随温度升高而减小；
根据反应①和曲线Ⅰ（反应③反应）的反应热可知，当温度同等变化时，△H的数值越大lgK的变化越大，
故答案为：当△H＞0时，lgK随温度升高而增大，当△H＜0时，lgK随温度升高而减小；当温度同等变化时，△H的数值越大lgK的变化越大；
（3）向盛有CaSO₄的真空恒容密闭容器中充入CO，反应方程式为：$\frac{1}{4}$CaSO₄（s）+CO（g）?$\frac{1}{4}$CaS（s）+CO₂（g），根据图象曲线可知，反应①于900℃时lgK=2，平衡常数为10²=100，c_平衡（CO）=8.0×10^-5 mol•L^-1，设一氧化碳反应前浓度为c，则反应消耗的CO浓度=反应生成二氧化碳浓度=（c-8.0×10^-5）mol/L，平衡常数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^-3，一氧化碳的转化率为：$\frac{8.0×1{0}^{-3}}{8.08×1{0}^{-3}}$×100%≈99%，
答：CO的转化率为99%；
（4）混合气体中含有二氧化硫，在原料中加入适量碳酸钙，吸收二氧化硫，有利于获得更纯净的CO₂，
故答案为：碳酸钙；
（5）以反应①中生成的CaS为原料，在一定条件下经原子利用率100%的高温反应，可再生CaSO₄，则另一种反应为为氧气，该反应的化学方程式为：CaS+2O₂$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$CaSO₄；在一定条件下，CO₂可与对二甲苯反应，在其苯环上引入一个羧基，相当于用羧基取代苯环上的氢原子，对二甲苯中苯环上4个H原子位置等价，则该产物的结构简式为：，
故答案为：CaS+2O₂$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$CaSO₄；．

点评 本题考查化学平衡计算、化学平衡常数、图象分析、燃烧热计算等，题目难度中等，注意掌握化学平衡常数的概念及计算方法．