Question

7．磷石膏是濕法生產(chǎn)磷酸排出的工業(yè)廢渣，主要成分是CaSO₄•2H₂O．
（1）CaSO₄•2H₂O脫水反應(yīng)相關(guān)的熱化學(xué)方程式為：
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
則反應(yīng)CaSO₄•$\frac{1}{2}$H₂O（s）═CaSO₄（s）+$\frac{1}{2}$H₂O（g）的△H₄=30.8kJ•mol^-1．
（2）用合適的還原劑可以將CaSO₄還原，所得SO₂可用于工業(yè)生產(chǎn)硫酸．

①以CO作還原劑，改變反應(yīng)溫度可得到不同的產(chǎn)物．不同溫度下反應(yīng)后所得固體成分的物質(zhì)的量如圖1所示．在低于800℃時主要還原產(chǎn)物為CaS；高于800℃時主要發(fā)生的反應(yīng)的化學(xué)方程式為CaS+3CaSO₄$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$4CaO+4SO₂↑．
②以高硫煤為還原劑焙燒2.5 小時，不同條件對硫酸鈣轉(zhuǎn)化率的影響如圖2所示．CaCl₂的作用是作催化劑；當(dāng)溫度高于1200℃時，無論有無CaCl₂，CaSO₄的轉(zhuǎn)化率趨于相同，其原因是兩種情況下反應(yīng)均達(dá)到平衡，催化劑CaCl₂不改變平衡的移動．
③以C作還原劑，向密閉容器中加入相同質(zhì)量的幾組不同$\frac{C}{S}$值（炭粉與CaSO₄的物質(zhì)的量之比）的混合物在1100℃加熱，結(jié)果如圖3所示．當(dāng)$\frac{C}{S}$值為0.5時，反應(yīng)產(chǎn)物為CaO、SO₂和CO₂；當(dāng)$\frac{C}{S}$值大于0.7時，反應(yīng)所得氣體中SO₂的體積分?jǐn)?shù)不升反降，其主要原因可能是高溫下，過量的C與CO₂反應(yīng)生成CO，使氣體總體積增大（或部分轉(zhuǎn)化為其他含硫物質(zhì)）．
（3）已知Ksp（CaSO₄）=7.10×10^-5，Ksp（CaCO₃）=6.2125×10^-7，利用反應(yīng)CaSO₄（s）+（NH₄）₂CO₃（aq）?CaCO₃（s）+（NH₄）₂SO₄（aq）可以將磷石膏轉(zhuǎn)化為硫酸銨．若反應(yīng)達(dá)到平衡后溶液中c（SO₄^2-）=2.0mol•L^-1，此時溶液中c（CO₃^2-）=1.75×10^-2 mol•L^-1．

Answer 1

分析 （1）依據(jù)已知熱化學(xué)方程式構(gòu)建目標(biāo)方程式，根據(jù)蓋斯定律計算得到目標(biāo)方程式的反應(yīng)熱；
（2）①從圖示1可知在低于800℃時主要還原產(chǎn)物為CaS，高于800℃時主要發(fā)生硫化鈣和硫酸鈣反應(yīng)生成氧化鈣和二氧化硫；
②無氯化鈣和有氯化鈣存在的反應(yīng)，最終平衡相同，僅改變反應(yīng)歷程，所以CaCl₂為催化劑；當(dāng)溫度高于1200℃時，達(dá)到平衡，因催化劑不能改變平衡，所以無論有無CaCl₂，CaSO₄的轉(zhuǎn)化率趨于相同；
③碳和二氧化碳在高溫條件下反應(yīng)生成氣體一氧化碳，所以當(dāng)$\frac{C}{S}$值大于0.7時，反應(yīng)所得氣體中SO₂的體積分?jǐn)?shù)不升反降，也可能硫轉(zhuǎn)化成其它物質(zhì)；
（3）反應(yīng)的離子方程式為CaSO₄（s）+CO₃^2-（aq）?SO₄^2-（aq）+CaCO₃（s），根據(jù)K_sp（CaSO₄）=c（Ca²⁺）×c（SO₄^2-），K_sp（CaCO₃）=c（Ca²⁺）×c（CO₃^2-）計算c（CO₃^2-）．

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
將②-③×2-①得CaSO₄•$\frac{1}{2}$H₂O（s）═CaSO₄（s）+$\frac{1}{2}$H₂O（g），則△H₄=[26kJ•mol^-1-（-44kJ•mol^-1）×2-83.2kJ•mol^-1]=30.8kJ•mol^-1，
故答案為：30.8；
（2）①從圖示1可知，在低于800℃時，CaS成分的物質(zhì)的量為1，而CaO的物質(zhì)的量幾乎為0，所以在低于800℃時主要還原產(chǎn)物為CaS，高于800℃時主要發(fā)生硫化鈣和硫酸鈣反應(yīng)CaS+3CaSO₄$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$4CaO+4SO₂↑，氧化鈣的物質(zhì)的量增加，硫化鈣的物質(zhì)的量減小，
故答案為：CaS；CaS+3CaSO₄$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$4CaO+4SO₂↑；
②催化劑僅能改變反應(yīng)的速率，改變反應(yīng)歷程，但不能改變化學(xué)平衡，從圖示可知，當(dāng)溫度高于1200℃時，無論有無CaCl₂，CaSO₄的轉(zhuǎn)化率趨于相同，所以CaCl₂的作用是作催化劑，當(dāng)溫度高于1200℃時，無論有無CaCl₂，CaSO₄的反應(yīng)兩種情況下反應(yīng)均達(dá)到平衡，催化劑CaCl₂不改變平衡的移動，
故答案為：作催化劑；兩種情況下反應(yīng)均達(dá)到平衡，催化劑CaCl₂不改變平衡的移動；
③當(dāng)$\frac{C}{S}$值大于0.7時，高溫下，過量的C與CO₂反應(yīng)生成CO氣體，反應(yīng)產(chǎn)物為CaO、SO₂和CO₂、CO，使氣體總體積增大，也可能硫酸鈣部分轉(zhuǎn)化為其他含硫物質(zhì)，
故答案為：高溫下，過量的C與CO₂反應(yīng)生成CO，使氣體總體積增大（或部分轉(zhuǎn)化為其他含硫物質(zhì)）；
（3）反應(yīng)的離子方程式為CaSO₄（s）+CO₃^2-（aq）?SO₄^2-（aq）+CaCO₃（s），若反應(yīng)達(dá)到平衡后溶液中c（SO₄^2-）=2.0mol•L^-1，已知Ksp（CaSO₄）=c（Ca²⁺）×c（SO₄^2-）=7.10×10^-5，c（Ca²⁺）=3.55×10^-5mol•L^-1，Ksp（CaCO₃）=6.2125×10^-7，K_sp（CaCO₃）=c（Ca²⁺）×c（CO₃^2-），c（CO₃^2-）=1.75×10^-2 mol•L^-1，
故答案為：1.75×10^-2 mol•L^-1．

點評 本題考查反應(yīng)熱的計算、化學(xué)平衡移動影響因素、沉淀溶解平衡的計算，掌握蓋斯定律的熟練應(yīng)用以及催化劑對平衡的影響是解答關(guān)鍵，題目難度中等．