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3.无水芒硝(Na2SO4)与硫化钠(Na2S)是用化工和能源重化工的基础原料,工业上常用天然气、焦炭及氢气等还原法由芒硝制取硫化钠.
(1)用天然气高温下还原无水芒硝同时生成二氧化碳的化学方程式为CH4+Na2SO4 $\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$Na2S+CO2+2H2O.
(2)已知焦炭还原芒硝的反应为:
    Na2SO4(s)+2C(s)=Na2S(s)+2CO2(g)△H1=+225.2kJ•mol-1
    CO2(g)+C(s)=2CO(g)△H2=+172.4kJ•mol-1
    则Na2SO4(s)+4C(s)=Na2S(s)+4CO(g)△H3=570kJ•mol-1
(3)为研究氢气还原芒硝相关热力学问题,在四个2L的密闭容器中放入0.05molNa2SO4固体,通入0.2molH2,在不同温度下发生反应:Na2SO4(s)+4H2(g)?Na2S(s)+4H2O(g),测得反应时间与转化率的关系如图所示.
    ①该反应的△H>(填“<”或“>”)0.
    ②700℃时0~2h内,v(H2)=0.0425mol•L-1•h-1,到2h达到平衡(H2的转化率为85%),反应的平衡常数为$(\frac{17}{3})^{4}$.
    ③为提高芒硝的平衡转化率可采取的措施有升高温度、及时将生成物中的水蒸从体系中分离.
(4)用氢气作还原剂,从环境保护角度考虑,其优点是不产生温室气体二氧化碳.

分析 (1)天然气的主要成份是甲烷,碳被氧化生成二氧化碳,说明+6价的硫被还原,化学方程式为CH4+Na2SO4 $\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$Na2S+CO2+2H2O;
(2)应用盖斯定律分析求解;
(3)①温度越高氢气的转化率越大,所以平衡正向移动,正反应是吸热反应;
②700℃时0~2h内,v(H2)=$\frac{△C}{△t}$;根据三行式,求平衡时各组分的浓度,生成物浓度幂之积比上反应物浓度幂之积就得平衡常数;
③为提高芒硝的平衡转化率可采取的措施有:因为正反应是吸热反应,所以可以通过升高温度,两边气体的计量数相等,故不能通过压强的变化,可以通过减少生成物的浓度,使平衡正向移动,来提高转化率;
(4)从环境保护角度考虑,可以从两者反应的产物,分析解答.

解答 解:(1)天然气的主要成份是甲烷,碳被氧化生成二氧化碳,说明+6价的硫被还原,化学方程式为:CH4+Na2SO4 $\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$Na2S+CO2+2H2O,故答案为:CH4+Na2SO4 $\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$Na2S+CO2+2H2O;
(2)根据盖斯定律,Na2SO4(s)+2C(s)=Na2S(s)+2CO2(g)△H1=+225.2kJ•mol-1
    CO2(g)+C(s)=2CO(g)△H2=+172.4kJ•mol-1
    则Na2SO4(s)+4C(s)=Na2S(s)+4CO(g)△H3=△H1+2△H2=225.2kJ•mol-1+2×172.4kJ•mol-1=570kJ•mol-1,故答案为:570;
(3)①温度越高氢气的转化率越大,所以平衡正向移动,正反应是吸热反应,即△H>0,故答案为:>;
②700℃时0~2h内,氢气浓度的变化量为:0.2mol×85%=0.17mol,v(H2)=$\frac{△C}{△t}$=$\frac{\frac{0.17mol}{2L}}{2h}$=0.0425mol•L-1•h-1
         Na2SO4(s)+4H2(g)?Na2S(s)+4H2O(g),
开始浓度:0.1mol/L               0
变化浓度:0.085mol/L           0.085mol/L
平衡浓度:0.015mol/L          0.085mol/L
所以K=$({\frac{0.085}{0.015})}^{4}$=$(\frac{17}{3})^{4}$,故答案为:0.0425;$(\frac{17}{3})^{4}$;
③为提高芒硝的平衡转化率可采取的措施有:因为正反应是吸热反应,所以可以通过升高温度,可以通过减少生成物的浓度,使平衡正向移动,来提高转化率,故答案为:升高温度;及时将生成物中的水蒸从体系中分离;
(4)从环境保护角度考虑,可以从两者反应的产物,甲烷还原CH4+Na2SO4 $\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$Na2S+CO2+2H2O,产生温室气体二氧化碳,而氢气还原Na2SO4(s)+4H2(g)?Na2S(s)+4H2O(g),无二氧化碳生成,故答案为:不产生温室气体二氧化碳.

点评 本题考查氧化还原方程式的书写、盖斯定律的应用、化学反应速率、化学平衡常数的计算以及平衡的移动等知识,综合性强,有一定的难度.

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