Question

3．無水芒硝（Na₂SO₄）與硫化鈉（Na₂S）是用化工和能源重化工的基礎原料，工業(yè)上常用天然氣、焦炭及氫氣等還原法由芒硝制取硫化鈉．
（1）用天然氣高溫下還原無水芒硝同時生成二氧化碳的化學方程式為CH₄+Na₂SO₄ $\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$Na₂S+CO₂+2H₂O．
（2）已知焦炭還原芒硝的反應為：
    Na₂SO₄（s）+2C（s）=Na₂S（s）+2CO₂（g）△H₁=+225.2kJ•mol^-1
    CO₂（g）+C（s）=2CO（g）△H₂=+172.4kJ•mol^-1
    則Na₂SO₄（s）+4C（s）=Na₂S（s）+4CO（g）△H₃=570kJ•mol^-1．
（3）為研究氫氣還原芒硝相關熱力學問題，在四個2L的密閉容器中放入0.05molNa₂SO₄固體，通入0.2molH₂，在不同溫度下發(fā)生反應：Na₂SO₄（s）+4H₂（g）?Na₂S（s）+4H₂O（g），測得反應時間與轉化率的關系如圖所示．
    ①該反應的△H＞（填“＜”或“＞”）0．
    ②700℃時0～2h內(nèi)，v（H₂）=0.0425mol•L^-1•h^-1，到2h達到平衡（H₂的轉化率為85%），反應的平衡常數(shù)為$（\frac{17}{3}）^{4}$．
    ③為提高芒硝的平衡轉化率可采取的措施有升高溫度、及時將生成物中的水蒸從體系中分離．
（4）用氫氣作還原劑，從環(huán)境保護角度考慮，其優(yōu)點是不產(chǎn)生溫室氣體二氧化碳．

Answer 1

分析 （1）天然氣的主要成份是甲烷，碳被氧化生成二氧化碳，說明+6價的硫被還原，化學方程式為CH₄+Na₂SO₄ $\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$Na₂S+CO₂+2H₂O；
（2）應用蓋斯定律分析求解；
（3）①溫度越高氫氣的轉化率越大，所以平衡正向移動，正反應是吸熱反應；
②700℃時0～2h內(nèi)，v（H₂）=$\frac{△C}{△t}$；根據(jù)三行式，求平衡時各組分的濃度，生成物濃度冪之積比上反應物濃度冪之積就得平衡常數(shù)；
③為提高芒硝的平衡轉化率可采取的措施有：因為正反應是吸熱反應，所以可以通過升高溫度，兩邊氣體的計量數(shù)相等，故不能通過壓強的變化，可以通過減少生成物的濃度，使平衡正向移動，來提高轉化率；
（4）從環(huán)境保護角度考慮，可以從兩者反應的產(chǎn)物，分析解答．

解答 解：（1）天然氣的主要成份是甲烷，碳被氧化生成二氧化碳，說明+6價的硫被還原，化學方程式為：CH₄+Na₂SO₄ $\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$Na₂S+CO₂+2H₂O，故答案為：CH₄+Na₂SO₄ $\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$Na₂S+CO₂+2H₂O；
（2）根據(jù)蓋斯定律，Na₂SO₄（s）+2C（s）=Na₂S（s）+2CO₂（g）△H₁=+225.2kJ•mol^-1
    CO₂（g）+C（s）=2CO（g）△H₂=+172.4kJ•mol^-1
    則Na₂SO₄（s）+4C（s）=Na₂S（s）+4CO（g）△H₃=△H₁+2△H₂=225.2kJ•mol^-1+2×172.4kJ•mol^-1=570kJ•mol^-1，故答案為：570；
（3）①溫度越高氫氣的轉化率越大，所以平衡正向移動，正反應是吸熱反應，即△H＞0，故答案為：＞；
②700℃時0～2h內(nèi)，氫氣濃度的變化量為：0.2mol×85%=0.17mol，v（H₂）=$\frac{△C}{△t}$=$\frac{\frac{0.17mol}{2L}}{2h}$=0.0425mol•L^-1•h^-1，
         Na₂SO₄（s）+4H₂（g）?Na₂S（s）+4H₂O（g），
開始濃度：0.1mol/L               0
變化濃度：0.085mol/L           0.085mol/L
平衡濃度：0.015mol/L          0.085mol/L
所以K=$（{\frac{0.085}{0.015}）}^{4}$=$（\frac{17}{3}）^{4}$，故答案為：0.0425；$（\frac{17}{3}）^{4}$；
③為提高芒硝的平衡轉化率可采取的措施有：因為正反應是吸熱反應，所以可以通過升高溫度，可以通過減少生成物的濃度，使平衡正向移動，來提高轉化率，故答案為：升高溫度；及時將生成物中的水蒸從體系中分離；
（4）從環(huán)境保護角度考慮，可以從兩者反應的產(chǎn)物，甲烷還原CH₄+Na₂SO₄ $\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$Na₂S+CO₂+2H₂O，產(chǎn)生溫室氣體二氧化碳，而氫氣還原Na₂SO₄（s）+4H₂（g）?Na₂S（s）+4H₂O（g），無二氧化碳生成，故答案為：不產(chǎn)生溫室氣體二氧化碳．

點評 本題考查氧化還原方程式的書寫、蓋斯定律的應用、化學反應速率、化學平衡常數(shù)的計算以及平衡的移動等知識，綜合性強，有一定的難度．