Question

重晶石（BaSO₄）是重要的化工原料，制备氢氧化钡晶体[Ba(OH)₂·8H₂O]的流程如下：

（1）写出煅烧时发生反应的热化学方程式：____________________________。
（2）写出氢氧化钡晶体与氯化铵晶体混合反应的化学方程式：_____________________。
（3）为检测煅烧时产生的CO，可将煅烧产生的气体通入PbCl₂溶液中，出现黑色沉淀和产生一种无色无味能使澄清石灰水变浑浊的气体，试写出该反应的化学方程式：_____。
（4）向BaSO₄沉淀中加入饱和Na₂CO₃溶液，充分搅拌，弃去上层清液，如此处理多次，可使BaSO₄全部转化为BaCO₃。发生的反应可表示为：
BaSO₄(s)+CO₃^2－(aq)BaCO₃(s)+SO₄^2－(aq)
现有0.20 mol BaSO₄，加入1.0L 2.0mol?L^－1饱和Na₂CO₃溶液处理，假设c(SO₄^2－)_起始≈0
平衡时，K=4.0x10^－2，求反应达到平衡时发生转化的BaSO₄的物质的量。(写出计算过程结果保留2位有效数字)
（5）试从平衡的角度解释BaSO₄可转化为BaCO₃的原因：________________________。

Answer 1

（17分）
（1）BaSO₄(s) + 4C(s)="BaS(s)" + 4CO(g)  △H="+571.2" kJ?mol^－1 
（4分，其中：方程式2分，ΔH 2分，错漏单位扣1分，状态错漏0分。其他计量数，合理即给分）
（2）Ba(OH)₂·8H₂O +2NH₄Cl=BaCl₂+2NH₃↑+10 H₂O （2分，写Ba(OH)₂反应给0分）
（3）CO +PbCl₂+H₂O=Pb↓+CO₂↑+2HCl （2分）
（4）设发生转化的BaSO₄的物质的量为xmol，则平衡时c(SO₄^2－)为x mol?L^－1（1分）
BaSO₄（s）+CO₃^2－ BaCO₃（s）+SO₄^2－
起始浓度(mol?L^－1)：        2.0                            0
转化浓度(mol?L^－1)：         x                             x
平衡浓度(mol?L^－1)：      (2.0—x)                 x     （1分）
K===4.0×10^－2  （2分，其中列式、代入数值各1分）
x = 7.7×10^－2  （2分，单位、有效数字错漏合扣1分）
答：发生转化的BaSO₄的物质的量为7.7×10^－2 mol
（5）BaSO₄沉淀中存在沉淀溶解平衡：BaSO₄(s)Ba²⁺(aq) + SO₄^2－(aq) （1分），加入饱和碳酸钠溶液，CO₃^2－浓度增大，使Q_c(BaCO₃)=c(Ba²⁺)×c(CO₃^2－)＞K_sp(BaCO₃) ，形成碳酸钡的过饱和溶液，因此析出BaCO₃沉淀（1分），c(Ba²⁺)减小，使BaSO₄沉淀向溶解方向移动，BaSO₄转化为BaCO₃（1分）。（合理即给分）

试题分析：（1）硫酸钡与焦碳在高温下发生氧化还原反应，生成硫化钡和一氧化碳，硫元素由+6降为—2价，碳元素由0升为+2价，根据化合价升降总数相等配平，则该反应为；BaSO₄(s)+4C(s)=BaS(s)+4CO(g)；将已知反应编号为①②③，观察发现，②×2+③—①可得重晶石与焦碳的反应式，根据盖斯定律，BaSO₄(s)+4C(s)=BaS(s)+4CO(g)的焓变=②的焓变×2+③的焓变—①的焓变=[—221×2—460—（—1473.2）]kJ/mol=+571.2 kJ/mol；（2）铵盐与强碱能发生复分解反应，生成盐、氨气和水，由此推断：Ba(OH)₂·8H₂O +2NH₄Cl=BaCl₂+2NH₃↑+10 H₂O；依题意，一氧化碳被氧化成二氧化碳，碳元素由+2升为+4价，则CO是还原剂，由此推断氯化铅是氧化剂，被还原为黑色的单质铅，根据化合价升降总数相等配平，该反应为CO +PbCl₂+H₂O=Pb↓+CO₂↑+2HCl；（4）设发生转化的BaSO₄的物质的量为xmol，则平衡时c(SO₄^2－)为x mol?L^－1（1分）
BaSO₄（s）+CO₃^2－ BaCO₃（s）+SO₄^2－
起始浓度(mol?L^－1)：        2.0                            0
转化浓度(mol?L^－1)：         x                             x
平衡浓度(mol?L^－1)：       (2.0-x)                x     （1分）
K===4.0×10^－2  （2分，其中列式、代入数值各1分）
x = 7.7×10^－2  （2分，单位、有效数字错漏合扣1分）
答：发生转化的BaSO₄的物质的量为7.7×10^－2 mol。
（5）BaSO₄沉淀中存在沉淀溶解平衡：BaSO₄(s)Ba²⁺(aq) + SO₄^2－(aq)，加入饱和碳酸钠溶液能增大CO₃^2－浓度，使Q_c(BaCO₃)=c(Ba²⁺)×c(CO₃^2－)＞K_sp(BaCO₃) ，形成碳酸钡的过饱和溶液，因此析出BaCO₃沉淀，造成c(Ba²⁺)减小，使BaSO₄沉淀向溶解方向移动，BaSO₄转化为BaCO₃。