Question

现代炼锌的方法可分为火法和湿法两大类．
火法炼锌是将闪锌矿（主要含ZnS）通过浮选、焙烧使它转化为氧化锌，再把氧化锌和焦炭混合，在鼓风炉中加热至1373-1573K，使锌蒸馏出来．主要反应为：
焙烧炉中：2ZnS+3O₂=2ZnO+2SO₂①
鼓风炉中：2C+O₂=2CO            ②
鼓风炉中：ZnO（s）+CO（g）?Zn（g）+CO₂（g） ③
（1）假设鼓风炉体积固定，鼓风炉内部分气态物质物质的量浓度（mol?L^-1）变化如下（在某温度时其化学平衡常数K=1.0）．

时间/min	CO	Zn	CO2
0	0.11	0	0
2	0.1	0.01	0.01
3	c1	c2	c2
4	c1	c2	c2

上表中：c₁=

 

 mol?L^-1．若在其它条件不变时，在该温度时在鼓风炉中增大CO的浓度，K值

 

（填“增大”、“减小”或“不变”）；
（2）假设在某一反应条件下，使焙烧炉中反应①的ZnO几乎完全被CO还原，鼓风炉中反应③CO的转化率为80.5%，则焙烧炉和鼓风炉消耗的O₂的体积比

 

3：1（填“＞”、“＜”或“=”）．
（3）假设在某一反应条件下，焙烧炉出来的混合气体中N₂占90%，鼓风炉中反应③CO的转化率为62.5%，为了合理利用资源，防止过量空气的鼓入对生产造成负面影响，请计算每生产1molZn，需要向焙烧炉和鼓风炉中鼓入新鲜空气共多少升？（假设矿石中的ZnS全部转化为Zn，反应中的O₂均来自于空气，空气中O₂与N₂的体积比以1：4计算）

 

．

Answer 1

考点：化学平衡的计算,金属冶炼的一般原理

专题：计算题,元素及其化合物

分析：（1）由表中数据分析可知，反应进行至30min时，达到平衡状态，c_l为CO的平衡浓度，设CO的转化浓度为xmol/L，利用三段式表示出平衡时各组分的浓度，根据平衡常数列方程计算解答；平衡常数只受温度影响，温度不变，平衡常数不变；
（2）假设CO总共为100mol，计算生成CO消耗的氧气，根据CO转化率计算参加反应的ZnO的物质的量，结合方程式计算生成ZnO消耗的氧气，据此解答；
（3）令生产1molZn鼓风炉中消耗空气物质的量为5y，则通入的氧气为y、制得一氧化碳为2y，实际用于还原ZnO的CO物质的量为2y×62.5%，由方程式可知，2y×62.5%=1mol；
令焙烧炉中消耗空气的物质的量为5x，根据Zn元素守恒，需ZnS1mol，根据差量法计算出从焙烧炉出来的气体物质的量变化量，利用混合气体中N₂占90%列方程，两处之和即为鼓入新鲜空气．

解答： 解：（1）由表中数据分析可知，反应进行至30min时，达到平衡状态，c_l为CO的平衡浓度，设CO的转化浓度为x mol/L，则：
            ZnO（s）+CO（g）?Zn（g）+CO₂（g）
开始（mol/L）：0.11      0       0
变化（mol/L）：x         x       x
平衡（mol/L）：0.11-x    x       x
所以，

x×x

0.11-x

=1，解得x=0.1，
则c₁=0.11mol/L-0.1mol/L=0.01mol/L，
平衡常数只受温度影响，温度不变，平衡常数K值不变，
故答案为：0.01；不变；
（2）假设CO总共为100mol，鼓风炉中消耗的氧气为50mol，风炉中反应③CO的转化率为80.5%，则参加反应CO为80.5mol，故参加反应的ZnO为80.5mol，由2ZnS+3O₂=2ZnO+2SO₂，可知焙烧炉中消耗氧气为80.5mol×

3

2

=120.75mol，则焙烧炉和鼓风炉消耗的O₂的体积比大于120.75mol：50mol=2.405：1＜3：1，
故答案为：小于；
（3）设焙烧炉中消耗空气的物质的量为5x，鼓风炉中消耗空气物质的量为5y，则：
2C+O₂=2CO    ZnO（s）+CO（g）?Zn（g）+CO₂（g）
   y  2y     1mol   2y×62.5%  1mol
2y×62.5%=1mol，解得y=0.8mol，故5y=4mol
2ZnS+3O₂=2ZnO+2SO₂  气体减少△n
2mol                   1mol
1mol                   0.5mol
所以，

4x

5x-0.5mol

=90%，解得 x=0.9mol，故5x=4.5mol，
所以，5x+5y=4mol+4.5mol=8.5mol，
故V（空气）=8.5×22.4L?mol^-1=190.4L，
故答案为：190.4L．

点评：本题以金属冶炼为载体，考查有关化学平衡的计算，题目综合性大，（3）中计算关键要理清思路，充分利用方程式，难度较大，为易错题目．