Question

11．用CaSO₄代替O₂与燃料CO反应，既可以提高燃烧效率，又能得到高纯CO₂，是一种高效、清洁、经济的新型燃烧技术，反应①为主反应，反应②和③为副反应．
①$\frac{1}{4}$CaSO₄（s）+CO（g）?$\frac{1}{4}$CaS（s）+CO₂（g）△H₁=-47.3kJ/mol
②CaSO₄（s）+CO（g）?CaO（s）+CO₂（g）+SO₂（g）△H₂=+210.5kJ/mol
③CO（g）?$\frac{1}{2}$C（s）+$\frac{1}{2}$CO₂（g）△H₃=-86.2kJ/mol
（1）反应2CaSO₄（s）+7CO（g）?（s）+CaO（s）+C（s）+6CO₂（g）+SO₂（g）的△H=4△H₁+△H₂+2△H₃（用△H₁△H₂△H₃表示）．
（2）反应①～③的平衡常数的对数lgK随反应温度T的变化曲线见图18．结合各反应的△H，归纳lgK～T曲线变化规律：
a）放热反应的lgK随温度升高而下降
b）放出或吸收热量越大的反应，其lgK受温度影响越大
（3）向盛有CaSO₄的真空恒容容器中充入CO，反应①于900°C达到平衡，c_平衡（CO）=8.0×10^-5mol•L^-1，计算CO的转化率99%（忽略副反应，结果保留2位有效数字）．
（4）为减少副产物，获得更纯净的CO₂，可在初始燃料中适量加入O₂．
（5）以反应①中生成的CaS为原料，在一定条件下经原子利用率100%的高温反应，可再生成CaSO₄，该反应的化学方程式为CaS+2O_{2$\frac{\underline{\;一定条件\;}}{\;}$} CaSO₄；在一定条件下CO₂可与对二甲苯反应，在其苯环上引入一个羧基，产物的结构简式为．

Answer 1

分析 （1）根据盖斯定律及题干中热化学方程式计算，①×4+②+③×2可得，得到反应2CaSO₄（s）+7CO（g）?CaS（s）+CaO（s）+6CO₂（g）+C（s）+SO₂（g）的△H；
（2）根据反应①-③的平衡常数的对数lgK随反应温度T的变化曲线进行判断变化规律；
（3）根据图象判断900℃时反应①的lgK=2，则平衡常数为10²，设出反应前CO浓度为c，根据平衡常数表达式列式计算即可；
（4）根据氧气能够消耗副产物中生成的二氧化硫、碳进行分析；
（5）根据“CaS为原料，在一定条件下经原子利用率100%的高温反应，可再生CaSO₄”可知另一种反应物为氧气，据此写出反应的化学方程式；在对二甲苯的苯环上添上应该羧基即可得到该有机物．

解答 解：（1）根据盖斯定律，①×4+②+③×2可得：2CaSO₄（s）+7CO（g）?CaS（s）+CaO（s）+6CO₂（g）+C（s）+SO₂（g）的△H=4△H₁+△H₂+2△H₃，
故答案为：4△H₁+△H₂+2△H₃；
（2）根据图象曲线变化可知，反应①、③为放热反应，随着温度的升高，平衡常数K逐渐减小，则lgK逐渐减小，而反应②为吸热反应，升高温度，平衡常数K逐渐增大，则lgK逐渐增大，所以Ⅰ表示的为反应③、Ⅱ曲线表示的为反应②，变化规律为：当△H＞0时，lgK随温度升高而增大，当△H＜0时，lgK随温度升高而减小；根据反应①和曲线Ⅰ（反应③反应）的反应热可知，当温度同等变化时，△H的数值越大lgK的变化越大，
故答案为：（a）当△H＞0时，lgK随温度升高而增大，当△H＜0时，lgK随温度升高而减小；（b）当温度同等变化时，△H的数值越大lgK的变化越大；
（3）向盛有CaSO₄的真空恒容密闭容器中充入CO，反应方程式为：$\frac{1}{4}$CaSO₄（s）+CO（g）?$\frac{1}{4}$CaS（s）+CO₂（g）△H₁=-47.3kJ•mol^-1，根据图象曲线可知，反应①于900℃时lgK=2，平衡常数为10²=100，c_平衡（CO）=8.0×10^-5 mol•L^-1，设一氧化碳反应前浓度为c，则反应消耗的CO浓度=反应生成二氧化碳浓度=（c-8.0×10^-5）mol/L，平衡常数K=$\frac{[C{O}_{2}]}{[CO]}$=$\frac{c-8.0×1{0}^{-5}}{8×1{0}^{-5}}$=100，解得c=8.08×10^-3mol/L，一氧化碳的转化率为：$\frac{8.0×1{0}^{-3}}{8.08×1{0}^{-3}}$×100%≈99%，
答：CO的转化率为99%；
（4）氧气能够与二氧化硫、C发生反应，所以在初始原料中加入适量的氧气，可以抑制副反应②③的进行，有利于获得更纯净的CO₂，
故答案为：O₂；
（5）以反应①中生成的CaS为原料，在一定条件下经原子利用率100%的高温反应，可再生CaSO₄，则另一种反应为为氧气，该反应的化学方程式为 CaS+2O₂$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$CaSO₄；在一定条件下，CO₂可与对二甲苯反应，在其苯环上引入一个羧基，相当于用羧基取代苯环上的氢原子，对二甲苯中苯环上4个H原子位置等价，则该产物的结构简式为：，
故答案为：CaS+2O₂$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$CaSO₄；．

点评 本题考查了化学平衡常数的计算、有机物结构与性质、热化学方程式的书写等知识，题目难度中等，试题题量较大，注意掌握化学平衡常数的概念及计算方法，明确热化学方程式的书写方法及盖斯定律的含义及应用．