Question

【题目】基于CaSO4为载氧体的天然气燃烧是一种新型绿色的燃烧方式,CaSO4作为氧和热量的有效载体,能够高效低能耗地实现CO2的分离和捕获其原理如下图所示:

（1）已知在燃料反应器中发生如下反应:

i.4CaSO4(s)+CH4(g)=4CaO(s)+CO2(g)+4SO2(g)+2H2O(g) ΔH1=akJ/mol

ii.CaSO4(s)+CH4(g)=CaS(s)+CO2(g)+2H2O(g) ΔH2=bkJ/mol

ⅲ. CaS(s)+3CaSO4(s)= 4CaO(s)+4SO2(g) ΔH3=ckJ/mol

①燃料反应器中主反应为_________(填“i”“ii”或“ⅲ”)。

②反应i和ii的平衡常数Kp与温度的关系如图1，则a_______0(填“ >”“ =“或“<” );720℃时反应ⅲ的平衡常数Kp=________。

③下列措施可提高反应ii中甲烷平衡转化率的是_______。

A.增加CaSO4固体的投入量 B.将水蒸气冷凝

C.降温 D.增大甲烷流量

（2）如图2所示,该燃料反应器最佳温度范围为850℃ -900℃之间，从化学反应原理的角度说明原因:_______。

（3）空气反应器中发生的反应为

CaS(s) +2O2(g)=CaSO4(s) ΔH4=dkJ/mol

①根据热化学原理推测该反应为__________反应。

②在天然气燃烧过程中,可循环利用的物质为________。

（4）该原理总反应的热化学方程式为____________

Answer 1

【答案】 ii > 1.0×10-18 B 温度过低，反应速率较慢 ；温度较高，副反应增多 放热 CaS、CaSO4 CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(g) ΔH=(b+d)kJ/mol或ΔH=(a-c+d)kJ/mol

【解析】（1）①由图示可得，天然气和CaSO4进入燃料反应器，反应生成CaS、CO2和H2O，故燃料反应器中主反应为ii。②由图1可看出，温度越高lgKp越大，即升温Kp增大，故反应i和反应ii都是吸热反应，则a和b都大于0。设三个反应的平衡常数Kp分别为：Kpi、Kpii、Kpⅲ，根据盖斯定律，i-ii得ⅲ，所以Kpⅲ=；由图并结合热化学方程式可得720℃时反应i的lgKp为：-2×4=-8，反应ii的lgKp为10，所以Kpi=10-8，Kpii=1010，故Kpⅲ===1.0×10-18。③A项，增加固体物质的投入量，不改变化学平衡，所以增加CaSO4固体的投入量不能提高反应ii中甲烷平衡转化率，故A错误；B项，将生成物分离出去能使化学平衡正向移动，所以将水蒸气冷凝能提高反应ii中甲烷平衡转化率，故B正确；C项，通过②的分析，该反应为吸热反应，降温能降低反应ii中甲烷平衡转化率，故C错误；D项，增大甲烷流量，增大了甲烷的浓度，平衡正向移动，但根据勒沙特列原理，甲烷平衡转化率会降低，故D错误。

（2）从反应速率角度考虑，温度过低，反应速率较慢，应在较高温度下反应，但由图2可得，温度越高，副反应增多，所以该燃料反应器最佳温度范围为850℃~900℃之间。

（3）①由方程式可看出该反应S<0，因为自发反应H-TS<0，所以H<0，故该反应为放热反应。②空气反应器中CaS和O2反应生成CaSO4，燃料反应器中，天然气和CaSO4反应生成CaS、CO2和H2O，所以在天然气燃烧过程中可循环利用的物质为：CaS和CaSO4。

（4）将反应CaS(s) +2O2(g)=CaSO4(s) ΔH4=dkJ/mol标号为iiii，分析空气反应器中发生的反应和燃料反应器中发生的反应，根据盖斯定律，ii+iiii或i-iii+iiii得该原理总反应的热化学方程式为：CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(g) ΔH=(b+d)kJ/mol或ΔH=(a-c+d)kJ/mol。