Question

3．无水芒硝（Na₂SO₄）与硫化钠（Na₂S）是用化工和能源重化工的基础原料，工业上常用天然气、焦炭及氢气等还原法由芒硝制取硫化钠．
（1）用天然气高温下还原无水芒硝同时生成二氧化碳的化学方程式为CH₄+Na₂SO₄ $\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$Na₂S+CO₂+2H₂O．
（2）已知焦炭还原芒硝的反应为：
    Na₂SO₄（s）+2C（s）=Na₂S（s）+2CO₂（g）△H₁=+225.2kJ•mol^-1
    CO₂（g）+C（s）=2CO（g）△H₂=+172.4kJ•mol^-1
    则Na₂SO₄（s）+4C（s）=Na₂S（s）+4CO（g）△H₃=570kJ•mol^-1．
（3）为研究氢气还原芒硝相关热力学问题，在四个2L的密闭容器中放入0.05molNa₂SO₄固体，通入0.2molH₂，在不同温度下发生反应：Na₂SO₄（s）+4H₂（g）?Na₂S（s）+4H₂O（g），测得反应时间与转化率的关系如图所示．
    ①该反应的△H＞（填“＜”或“＞”）0．
    ②700℃时0～2h内，v（H₂）=0.0425mol•L^-1•h^-1，到2h达到平衡（H₂的转化率为85%），反应的平衡常数为$（\frac{17}{3}）^{4}$．
    ③为提高芒硝的平衡转化率可采取的措施有升高温度、及时将生成物中的水蒸从体系中分离．
（4）用氢气作还原剂，从环境保护角度考虑，其优点是不产生温室气体二氧化碳．

Answer 1

分析 （1）天然气的主要成份是甲烷，碳被氧化生成二氧化碳，说明+6价的硫被还原，化学方程式为CH₄+Na₂SO₄ $\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$Na₂S+CO₂+2H₂O；
（2）应用盖斯定律分析求解；
（3）①温度越高氢气的转化率越大，所以平衡正向移动，正反应是吸热反应；
②700℃时0～2h内，v（H₂）=$\frac{△C}{△t}$；根据三行式，求平衡时各组分的浓度，生成物浓度幂之积比上反应物浓度幂之积就得平衡常数；
③为提高芒硝的平衡转化率可采取的措施有：因为正反应是吸热反应，所以可以通过升高温度，两边气体的计量数相等，故不能通过压强的变化，可以通过减少生成物的浓度，使平衡正向移动，来提高转化率；
（4）从环境保护角度考虑，可以从两者反应的产物，分析解答．

解答 解：（1）天然气的主要成份是甲烷，碳被氧化生成二氧化碳，说明+6价的硫被还原，化学方程式为：CH₄+Na₂SO₄ $\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$Na₂S+CO₂+2H₂O，故答案为：CH₄+Na₂SO₄ $\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$Na₂S+CO₂+2H₂O；
（2）根据盖斯定律，Na₂SO₄（s）+2C（s）=Na₂S（s）+2CO₂（g）△H₁=+225.2kJ•mol^-1
    CO₂（g）+C（s）=2CO（g）△H₂=+172.4kJ•mol^-1
    则Na₂SO₄（s）+4C（s）=Na₂S（s）+4CO（g）△H₃=△H₁+2△H₂=225.2kJ•mol^-1+2×172.4kJ•mol^-1=570kJ•mol^-1，故答案为：570；
（3）①温度越高氢气的转化率越大，所以平衡正向移动，正反应是吸热反应，即△H＞0，故答案为：＞；
②700℃时0～2h内，氢气浓度的变化量为：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），
开始浓度：0.1mol/L               0
变化浓度：0.085mol/L           0.085mol/L
平衡浓度：0.015mol/L          0.085mol/L
所以K=$（{\frac{0.085}{0.015}）}^{4}$=$（\frac{17}{3}）^{4}$，故答案为：0.0425；$（\frac{17}{3}）^{4}$；
③为提高芒硝的平衡转化率可采取的措施有：因为正反应是吸热反应，所以可以通过升高温度，可以通过减少生成物的浓度，使平衡正向移动，来提高转化率，故答案为：升高温度；及时将生成物中的水蒸从体系中分离；
（4）从环境保护角度考虑，可以从两者反应的产物，甲烷还原CH₄+Na₂SO₄ $\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$Na₂S+CO₂+2H₂O，产生温室气体二氧化碳，而氢气还原Na₂SO₄（s）+4H₂（g）?Na₂S（s）+4H₂O（g），无二氧化碳生成，故答案为：不产生温室气体二氧化碳．

点评 本题考查氧化还原方程式的书写、盖斯定律的应用、化学反应速率、化学平衡常数的计算以及平衡的移动等知识，综合性强，有一定的难度．