Question

17．制備過氧化氫的傳統(tǒng)方法是在過氧化鋇中加入稀硫酸．以重晶石（BaSO₄）為原料制備過氧化氫的流程如圖1：

回答下列問題：
（1）圖1中的氣體①可能含有的物質(zhì)是D．    
①CO　  ②CO₂�、跾O₂
A．僅①③B．僅②③C．僅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，用化學(xué)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
寫出CO₂ 和Ba（HS）₂反應(yīng)的熱化學(xué)反應(yīng)方程式：Ba（HS）₂（aq）+CO₂（g）+H₂O（l）=BaCO₃（s）+2 H₂S（g）△H=+29kJ•mol^-1．需將溶液A加熱的原因是上述反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，加熱可使平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，提高BaCO₃產(chǎn)率．
（4）氣體②可進(jìn)一步加工成為上述制取H₂O₂流程中的一種原料，該原料是H₂SO₄．
（5）通入的CO₂若含有O₂會(huì)有BaSO₄生成，所以通常增大溶液的pH以提高CO₃^2-濃度，把BaSO₄轉(zhuǎn)化為BaCO₃．若測(cè)得SO₄^2-的濃度為1×10^-4mol•L^-1，則CO₃^2-的濃度需大于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）據(jù)報(bào)道，科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室已研制出在燃料電池的反應(yīng)容器中，利用特殊電極材料以H₂和O₂為原料制取過氧化氫的新工藝．原理如圖2所示，請(qǐng)寫出甲電極的電極反應(yīng)式：2H⁺+O₂+2e^-=H₂O₂．

Answer 1

分析 重晶石是BaSO₄，由BaSO₄和單質(zhì)碳高溫生成氣體：BaSO₄+4C$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$BaS+4CO↑．碳、一氧化碳高溫燃燒生成氣體CO₂，BaS溶于H₂O遇二氧化碳反應(yīng)：BaS+H₂O+CO₂=BaCO₃↓+H₂S，硫化氫燃燒生成二氧化硫，含BaS的固體熱水浸泡，2BaS+2H₂O?Ba（OH）₂+Ba（HS）₂，過濾得到溶液A，通二氧化碳：Ba（HS）₂+CO₂+H₂O=BaCO₃↓+2H₂S，Ba（OH）₂+CO₂=BaCO₃↓+H₂O，氣體②為硫化氫，BaCO₃$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$BaO+CO₂↑，2BaO+O₂$\frac{\underline{\;300℃\;}}{\;}$2BaO₂，BaO₂+H₂SO₄=BaSO₄↓+H₂O₂．
（1）生產(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生大量廢氣（主要成分為CO₂、CO及少量SO₂和硫蒸氣等）；
（2）在溶液中，硫離子水解導(dǎo)致溶液顯示堿性；
（3）根據(jù)蓋斯定律書寫CO₂ 和Ba（HS）₂反應(yīng)的熱化學(xué)反應(yīng)方程式，根據(jù)影響化學(xué)平衡因素分析需將溶液A加熱的原因；
（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反應(yīng)生成CaCO₃、H₂S氣體，即氣體B的主要成分為H₂S氣體，H₂S氣體可用來制造H₂SO₄；
（5）根據(jù)溶解平衡常數(shù)計(jì)算；
（6）電極方程式的書寫：先寫出反應(yīng)物、產(chǎn)物、電子，根據(jù)電荷守恒寫出H⁺，原子守恒配平．

解答 解：（1）由BaSO₄和單質(zhì)碳高溫生成氣體：BaSO₄+4C$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$BaS+4CO↑．碳、一氧化碳高溫燃燒生成氣體CO₂，BaS溶于H₂O遇二氧化碳反應(yīng)：BaS+H₂O+CO₂=BaCO₃↓+H₂S，硫化氫燃燒生成二氧化硫，所以圖1中的氣體①可能①CO②CO₂③SO₂都有，
故答案為：D；
（2）在硫化鋇中，硫離子水解而使得硫化鋇顯堿性，有堿Ba（OH）₂生成，硫離子水解生成HS^-，即2BaS+2H₂O?Ba（OH）₂+Ba（HS）₂，
故答案為：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根據(jù)蓋斯定律將①-②得：Ba（HS）₂（aq）+CO₂（g）+H₂O（l）=BaCO₃（s）+2 H₂S（g）△H=+29kJ•mol^-1，該反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，加熱可使平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，提高BaCO₃產(chǎn)率，
故答案為：Ba（HS）₂（aq）+CO₂（g）+H₂O（l）=BaCO₃（s）+2 H₂S（g）△H=+29kJ•mol^-1；上述反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，加熱可使平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，提高BaCO₃產(chǎn)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反應(yīng)生成CaCO₃、H₂S氣體，即氣體B的主要成分為H₂S氣體，H₂S氣體和與氧氣反應(yīng)生成二氧化硫、二氧化硫和氧氣反應(yīng)生成三氧化硫，三氧化硫和水反應(yīng)生成硫酸，所以硫化氫可用來制造H₂SO₄，
故答案為：H₂SO₄；
（5）有BaSO₄沉淀的溶液中：K_sp（BaSO₄）=cC（Ba²⁺）•C（SO₄^2-）=1×10^-10，若測(cè)得SO₄^2-的濃度為1×10^-4mol•L^-1，則：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，即該溶液中Ba²⁺的濃度為1×10^-6mol•L^-1，要生成BaCO₃沉淀，需要滿足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；
故答案為：2.5×10^-3mol•L^-1；
（6）據(jù)圖2所示甲電極上消耗O₂，生成H₂O₂，1molO₂生成1molH₂O₂時(shí)失去2mol電子，電解質(zhì)溶液為鹽酸，酸性條件下，離子反應(yīng)方程式為：2H⁺+O₂+2e^-=H₂O₂；
故答案為：2H⁺+O₂+2e^-=H₂O₂．

點(diǎn)評(píng) 本題以重晶石（BaSO₄）為原料制備過氧化氫為載體，考查物質(zhì)推斷、熱化學(xué)方程式的書寫、水解化學(xué)方程式書寫、沉淀轉(zhuǎn)化的有關(guān)知識(shí)以及電極方程式的書寫等，是對(duì)所學(xué)知識(shí)的綜合運(yùn)用與能力的考查，根據(jù)已有知識(shí)結(jié)合工藝流程推斷物質(zhì)及發(fā)生反應(yīng)是解題關(guān)鍵，題目難度中等．