Question

13．磷石膏（主要成分是CaSO₄•2H₂O）是磷酸及磷肥类工业在生产过程中产生的一种废渣，我国每年排放的磷石膏大约2000万吨以上，开发利用磷石膏，保护资源和环境，符合持续发展的观念．图1所示为对磷石膏进行综合利用的路径之一．

（1）过程Ⅰ中CaSO₄•2H₂O脱水反应相关的热化学方程式为：
CaSO₄•2H₂O（s）=CaSO₄•$\frac{1}{2}$H₂O（s）+$\frac{3}{2}$H₂O（g）△H₁=+83.2KJ•mol^-1
CaSO₄•2H₂O（s）=CaSO₄（s）+2H₂O（l）△H₂=+26KJ•mol^-1
H₂O（g）=H₂O（l）△H₃=-44KJ•mol^-1
则反应CaSO₄•$\frac{1}{2}$H₂O（s）=CaSO₄（s）+$\frac{1}{2}$H₂O（g）的△H₄=+30.8KJ•mol^-1．
（2）过程Ⅱ用合适的还原剂可以将CaSO₄还原，所得SO₂可用于工业生产硫酸．
①CO作还原剂，改变反应温度可得到不同的产物．不同温度下所得固体成分的物质的量如图2所示．在低于800℃时还原产物为；1200℃时主要发生的反应的化学方程式为CaS+3CaSO₄$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$4CaO+4SO₂↑．

②高硫煤作还原剂，焙烧2.5小时，测不同温度下硫酸钙的转化率，如图3所示．CaCl₂的作用是作催化剂；当温度高于1200℃时，无论有无CaCl₂，CaSO₄的转化率趋于相同，其原因是催化剂CaCl₂不改变平衡的限度．

③以SO₂为原料，工业生产硫酸的化学方程式是2SO₂+O₂$\frac{\underline{\;催化剂\;}}{△}$2SO₃，SO₃+H₂O=H₂SO₄．
（3）过程III将CaSO₄投入（NH₄）₂CO₃溶液中，发生反应的离子方程式是CaSO₄+CO₃^2-=CaCO₃↓+SO₄^2-．

Answer 1

分析 （1）依据已知热化学方程式构建目标方程式，根据盖斯定律计算得到目标方程式的反应热；
（2）①从图示2可知在低于800℃时主要还原产物为CaS，高于800℃时主要发生硫化钙和硫酸钙反应生成氧化钙和二氧化硫；
②无氯化钙和有氯化钙存在的反应，最终平衡相同，仅改变反应历程，所以CaCl₂为催化剂；当温度高于1200℃时，达到平衡，因催化剂不能改变平衡，所以无论有无CaCl₂，CaSO₄的转化率趋于相同；
③二氧化硫催化氧化生成三氧化硫，三氧化硫与水反应生成硫酸；
（3）碳酸钙更难溶，碳酸铵与硫酸钙反应生成碳酸钙沉淀和磷酸铵．

解答 解：（1）已知①CaSO₄•2H₂O（s）═CaSO₄•$\frac{1}{2}$H₂O（s）+$\frac{3}{2}$H₂O（g）△H₁=83.2kJ•mol^-1
②CaSO₄•2H₂O（s）═CaSO₄（s）+2H₂O（l）△H₂=26kJ•mol^-1
③H₂O（g）=H₂O（l）△H₃=-44kJ•mol^-1
将②-③×2-①得CaSO₄•$\frac{1}{2}$H₂O（s）═CaSO₄（s）+$\frac{1}{2}$H₂O（g），则△H₄=[26kJ•mol^-1-（-44kJ•mol^-1）×2-83.2kJ•mol^-1]=30.8kJ•mol^-1，
故答案为：30.8；
（2）①从图示2可知，在低于800℃时，CaS成分的物质的量为1，而CaO的物质的量几乎为0，所以在低于800℃时主要还原产物为CaS，高于800℃时主要发生硫化钙和硫酸钙反应CaS+3CaSO₄$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$4CaO+4SO₂↑，氧化钙的物质的量增加，硫化钙的物质的量减小，
故答案为：CaS；CaS+3CaSO₄$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$4CaO+4SO₂↑；
②催化剂仅能改变反应的速率，改变反应历程，但不能改变化学平衡，从图示可知，当温度高于1200℃时，无论有无CaCl₂，CaSO₄的转化率趋于相同，所以CaCl₂的作用是作催化剂，当温度高于1200℃时，无论有无CaCl₂，CaSO₄的反应两种情况下反应均达到平衡，催化剂CaCl₂不改变平衡的移动，
故答案为：作催化剂；催化剂CaCl₂不改变平衡的限度；
③SO₂与水反应生成SO₂，反应的化学方程式为：2SO₂+O₂$\frac{\underline{\;催化剂\;}}{△}$2SO₃；三氧化硫与水反应生成硫酸，反应方程式为：SO₃+H₂O=H₂SO₄，
故答案为：2SO₂+O₂$\frac{\underline{\;催化剂\;}}{△}$2SO₃；SO₃+H₂O=H₂SO₄；
（3）将CaSO₄投入（NH₄）₂CO₃溶液中，实现了沉淀的转化，反应的离子方程式为：CaSO₄+CO₃^2-=CaCO₃↓+SO₄^2-，
故答案为：CaSO₄+CO₃^2-=CaCO₃↓+SO₄^2-．

点评 本题考查较为综合，涉及物质制备、反应热与焓变的应用、化学平衡的影响等知识，明确实验目的为解答关键，注意掌握盖斯定律的内容、化学平衡及其影响，试题培养了学生的分析、理解能力及综合应用能力．