Question

17．制备过氧化氢的传统方法是在过氧化钡中加入稀硫酸．以重晶石（BaSO₄）为原料制备过氧化氢的流程如图1：

回答下列问题：
（1）图1中的气体①可能含有的物质是D．    
①CO　  ②CO₂　③SO₂
A．仅①③B．仅②③C．仅①②D．全部
（2）BaS不能存在于水中，BaS溶于水后，S元素主要以HS^-的形式存在，用化学方程式表示其原因：2BaS+2H₂O?Ba（OH）₂+Ba（HS）₂．
（3）已知：Ba（OH）₂（aq）+CO₂（g）═BaCO₃（s）+H₂O（l）△H=-162kJ•mol^-1
2H₂S（g）+Ba（OH）₂（aq）═Ba（HS）₂（aq）+2H₂O（l）△H=-191kJ•mol^-1
写出CO₂ 和Ba（HS）₂反应的热化学反应方程式：Ba（HS）₂（aq）+CO₂（g）+H₂O（l）=BaCO₃（s）+2 H₂S（g）△H=+29kJ•mol^-1．需将溶液A加热的原因是上述反应为吸热反应，加热可使平衡向正反应方向移动，提高BaCO₃产率．
（4）气体②可进一步加工成为上述制取H₂O₂流程中的一种原料，该原料是H₂SO₄．
（5）通入的CO₂若含有O₂会有BaSO₄生成，所以通常增大溶液的pH以提高CO₃^2-浓度，把BaSO₄转化为BaCO₃．若测得SO₄^2-的浓度为1×10^-4mol•L^-1，则CO₃^2-的浓度需大于2.5×10^-3mol•L^-1，才不致于生成BaSO₄沉淀，已知K_sp（BaSO₄）=1×10^-10，K_sp（BaCO₃）=2.5×10^-9
（6）据报道，科学家在实验室已研制出在燃料电池的反应容器中，利用特殊电极材料以H₂和O₂为原料制取过氧化氢的新工艺．原理如图2所示，请写出甲电极的电极反应式：2H⁺+O₂+2e^-=H₂O₂．

Answer 1

分析 重晶石是BaSO₄，由BaSO₄和单质碳高温生成气体：BaSO₄+4C$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$BaS+4CO↑．碳、一氧化碳高温燃烧生成气体CO₂，BaS溶于H₂O遇二氧化碳反应：BaS+H₂O+CO₂=BaCO₃↓+H₂S，硫化氢燃烧生成二氧化硫，含BaS的固体热水浸泡，2BaS+2H₂O?Ba（OH）₂+Ba（HS）₂，过滤得到溶液A，通二氧化碳：Ba（HS）₂+CO₂+H₂O=BaCO₃↓+2H₂S，Ba（OH）₂+CO₂=BaCO₃↓+H₂O，气体②为硫化氢，BaCO₃$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$BaO+CO₂↑，2BaO+O₂$\frac{\underline{\;300℃\;}}{\;}$2BaO₂，BaO₂+H₂SO₄=BaSO₄↓+H₂O₂．
（1）生产过程中会产生大量废气（主要成分为CO₂、CO及少量SO₂和硫蒸气等）；
（2）在溶液中，硫离子水解导致溶液显示碱性；
（3）根据盖斯定律书写CO₂ 和Ba（HS）₂反应的热化学反应方程式，根据影响化学平衡因素分析需将溶液A加热的原因；
（4）BaS不能存在于水中，BaS溶于水后，S元素主要以HS^-的形式存在，故溶液A中存在大量Ba²⁺和HS^-，和H₂O、CO₂反应生成CaCO₃、H₂S气体，即气体B的主要成分为H₂S气体，H₂S气体可用来制造H₂SO₄；
（5）根据溶解平衡常数计算；
（6）电极方程式的书写：先写出反应物、产物、电子，根据电荷守恒写出H⁺，原子守恒配平．

解答 解：（1）由BaSO₄和单质碳高温生成气体：BaSO₄+4C$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$BaS+4CO↑．碳、一氧化碳高温燃烧生成气体CO₂，BaS溶于H₂O遇二氧化碳反应：BaS+H₂O+CO₂=BaCO₃↓+H₂S，硫化氢燃烧生成二氧化硫，所以图1中的气体①可能①CO②CO₂③SO₂都有，
故答案为：D；
（2）在硫化钡中，硫离子水解而使得硫化钡显碱性，有碱Ba（OH）₂生成，硫离子水解生成HS^-，即2BaS+2H₂O?Ba（OH）₂+Ba（HS）₂，
故答案为：2BaS+2H₂O?Ba（OH）₂+Ba（HS）₂；
（3）Ba（OH）₂（aq）+CO₂（g）=BaCO₃（s）+H₂O（l）△H=-162kJ•mol^-1①
2H₂S（g）+Ba（OH）₂（aq）=Ba（HS）₂（aq）+2H₂O（l）△H=-191kJ•mol^-1②根据盖斯定律将①-②得：Ba（HS）₂（aq）+CO₂（g）+H₂O（l）=BaCO₃（s）+2 H₂S（g）△H=+29kJ•mol^-1，该反应为吸热反应，加热可使平衡向正反应方向移动，提高BaCO₃产率，
故答案为：Ba（HS）₂（aq）+CO₂（g）+H₂O（l）=BaCO₃（s）+2 H₂S（g）△H=+29kJ•mol^-1；上述反应为吸热反应，加热可使平衡向正反应方向移动，提高BaCO₃产率；
（4）BaS不能存在于水中，BaS溶于水后，S元素主要以HS^-的形式存在，故溶液A中存在大量Ba²⁺和HS^-，和H₂O、CO₂反应生成CaCO₃、H₂S气体，即气体B的主要成分为H₂S气体，H₂S气体和与氧气反应生成二氧化硫、二氧化硫和氧气反应生成三氧化硫，三氧化硫和水反应生成硫酸，所以硫化氢可用来制造H₂SO₄，
故答案为：H₂SO₄；
（5）有BaSO₄沉淀的溶液中：K_sp（BaSO₄）=cC（Ba²⁺）•C（SO₄^2-）=1×10^-10，若测得SO₄^2-的浓度为1×10^-4mol•L^-1，则：cC（Ba²⁺）=$\frac{Ksp（BaS{O}_{4}）}{c（S{{O}_{4}}^{2-}）}$=$\frac{1×1{0}^{-10}}{1×1{0}^{-4}}$=1×10^-6mol•L^-1，即该溶液中Ba²⁺的浓度为1×10^-6mol•L^-1，要生成BaCO₃沉淀，需要满足cC（Ba²⁺）•C（CO₃^2-）≥K_sp（BaCO₃）=2.5×10^-9
C（CO₃^2-）≥$\frac{Ksp（BaC{O}_{3}）}{c（B{a}^{2+}）}$=$\frac{2.5×1{0}^{-9}}{1×1{0}^{-6}}$=2.5×10^-3mol•L^-1；
故答案为：2.5×10^-3mol•L^-1；
（6）据图2所示甲电极上消耗O₂，生成H₂O₂，1molO₂生成1molH₂O₂时失去2mol电子，电解质溶液为盐酸，酸性条件下，离子反应方程式为：2H⁺+O₂+2e^-=H₂O₂；
故答案为：2H⁺+O₂+2e^-=H₂O₂．

点评 本题以重晶石（BaSO₄）为原料制备过氧化氢为载体，考查物质推断、热化学方程式的书写、水解化学方程式书写、沉淀转化的有关知识以及电极方程式的书写等，是对所学知识的综合运用与能力的考查，根据已有知识结合工艺流程推断物质及发生反应是解题关键，题目难度中等．