Question

【題目】基于CaSO4為載氧體的天然氣燃燒是一種新型綠色的燃燒方式，CaSO4作為氧和熱量的有效載體，能夠髙效低能耗地實(shí)現(xiàn)CO2的分離和捕獲其原理如下圖所示：

(1)已知在燃料反應(yīng)器中發(fā)生如下反應(yīng)：

i.CaSO4(g)+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燃料反應(yīng)器中主反應(yīng)為_____________(填“i”“ ii”或“ⅲ”)。

②反應(yīng)i和ii的平衡常數(shù)Kp與溫度的關(guān)系如圖1，則a_____________ 0(填“>”“ =” 或“<”)；720℃時(shí)反應(yīng)ⅲ的平衡常數(shù)Kp=_________________。

③下列措施可提高反應(yīng)ii中甲烷平衡轉(zhuǎn)化率的是______________ 。

A.增加CaSO4固體的投入量 B.將水蒸氣冷凝

C.降溫 D.增大甲烷流量

(2)如圖2所示，該燃料反應(yīng)器最佳溫度范圍為850℃-900℃之間，從化學(xué)反應(yīng)原理的角度說(shuō)明原因：

________________________。

(3)空氣反應(yīng)器中發(fā)生的反應(yīng)為

CaS(s) +2O2(g)=CaSO4(s) ΔH4=dkJ/mol

①根據(jù)熱化學(xué)原理推測(cè)該反應(yīng)為 __________________(填“吸熱”或“放熱”) 反應(yīng)。

(4)該原理總反應(yīng)的熱化學(xué)方程式為_____________________________。

(5)25℃時(shí)，用Na2S沉淀Cu2+、Sn2+兩種金屬離子（M2+)，所需S2-最低濃度的對(duì)數(shù)值lgc(S2-)與lgc(M2+)的關(guān)系如右圖所示，請(qǐng)回答：

25℃時(shí)向50mL的Sn2+、Cu2+濃度均為0.01 mol/L的混合溶液中逐滴加入Na2S溶液，當(dāng)Na2S溶液加到150mL時(shí)開(kāi)始生成SnS沉淀，則此時(shí)溶液中Cu2+濃度為___________mol/L。

Answer 1

【答案】 ii > 1.0×10-18 B 溫度過(guò)低，反應(yīng)速率較慢；溫度較高，副反應(yīng)增多 放熱 CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(g) ΔH=(b+d)kJ/mol或ΔH=(a-c+d)kI/mol 2.5×10-13

【解析】(1)①：反應(yīng)ii中生成的CaS在反應(yīng)ⅲ中繼續(xù)反應(yīng)，有利于反應(yīng)ii的正向進(jìn)行，反應(yīng)的程度大，故ii反應(yīng)是主要反應(yīng)；②：反應(yīng)i的lgK隨著溫度的升高增大，所以K也增大，平衡正向移動(dòng)，所以正反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，a>0；反應(yīng)ⅲ= 反應(yīng)i-反應(yīng)ii，所以反應(yīng)ⅲ的平衡常數(shù)Kp=Kpi/ Kp ii=(10-2)4÷1010=10-18；③：A、增加CaSO4固體的投入量對(duì)平衡無(wú)影響； B、將水蒸氣冷凝，生成物的濃度減小，平衡正向移動(dòng)，CH4的轉(zhuǎn)化率增大；C、反應(yīng) ii的平衡常數(shù)隨溫度降低而降低，即降溫平衡逆向移動(dòng)，CH4的轉(zhuǎn)化率減小；D、增大甲烷流量，平衡正向移動(dòng)，但CH4的轉(zhuǎn)化率反而減小。故可提高反應(yīng)ii中甲烷平衡轉(zhuǎn)化率的是B。

(2)溫度較低時(shí)，CaS的摩爾分?jǐn)?shù)雖然較大，但反應(yīng)速率太慢，溫度太高時(shí)，副產(chǎn)物CaO的含量較大，即副反應(yīng)增多，故答案為：溫度過(guò)低，反應(yīng)速率較慢；溫度較高，副反應(yīng)增多。

(3) ①CaS(s) +2O2(g)=CaSO4(s)是一個(gè)熵減的自發(fā)反應(yīng)，ΔS<0，根據(jù)吉布斯自由能ΔG=ΔH-TΔS<0，可知ΔH<0，所以該反應(yīng)正反應(yīng)一定是放熱反應(yīng)。

(4) 對(duì)于CaSO4(s)+CH4(g)=CaS(s)+CO2(g)+2H2O(g)ΔH2=bkJ/mol和CaS(s)+2O2(g)=CaSO4(s) ΔH4=dkJ/mol，兩個(gè)熱化學(xué)方程式相加可得甲烷燃燒的熱化學(xué)方程式為：CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(g) ΔH=(b+d)kJ/mol，因?yàn)榉磻?yīng)ⅲ= 反應(yīng)i-反應(yīng)ii，所以焓變關(guān)系有c=a-b，故有b=a-c，故ΔH=(b+d)kJ/mol=(a-c+d)kI/mol，答案為：CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(g) ΔH=(b+d)kJ/mol或ΔH=(a-c+d)kI/mol。

(5)兩條曲線(xiàn)均是溶解平衡曲線(xiàn)，lgc(Sn2+)+lgc(S2-)=-25，所以Ksp(SnS)=10-25， lgc(Cu2+)+lgc(S2-)=-35，所以Ksp(CuS)=10-35。向50mL的Sn2+、Cu2+濃度均為0.01 mol/L的混合溶液中逐滴加入150mL Na2S溶液時(shí)，Sn2+的濃度為0.01/4（mol/L），此時(shí)Sn2+開(kāi)始沉淀，則c(S2-)= Ksp(SnS)÷c(Sn2+)=10-25÷0.01/4（mol/L）=4×10-23 mol/L，所以c(Cu2+)= Ksp(CuS)÷c(S2-)=10-35÷(4×10-23 )mol/L=2.5×10-13。