Question

含钡化合物在实验室和工业生产中都有广泛的用途．
（1）过氧化钡（BaO₂）是一种常用的氧化剂，还可用于生产钡盐．工业上制取过氧化钡的方法之一是2BaO+O₂2BaO₂．现有16.0吨的氧化钡在足量的氧气中加热反应后，固体的质量变为17.6吨．那么实际参加反应的氧化钡的质量为______吨．
（2）某同学查得Ba（OH）₂?8H₂O晶体在20℃时的溶解度为3.9g/100g水，则20℃时，Ba（OH）₂饱和溶液的质量分数为______（答案保留2位小数）．
（3）取不同质量由Ba（OH）₂?nH₂O和BaCO₃组成的样品，加水溶解后加入80mL 1.0mol/L的盐酸，并不断地搅拌，所得CO₂气体的体积（已换算为标准状况）与加入样品的质量关系通过描点得到下图（在此过程中不考虑Ba（HCO₃）₂的生成和CO₂的溶解）．请计算：
①在11.58g样品中BaCO₃的质量为多少g？
②化学式Ba（OH）₂?nH₂O中n的值为多少？
（4）含钡的矿物大多是重晶石（主要成分是BaSO₄），工业上常用天然气在850～900℃的条件下还原BaSO₄生产BaS．发生反应的化学方程式有：
BaSO₄+CH₄（少量）→BaS+CO₂+2H₂O
3BaSO₄+4CH₄（足量）→3BaS+4CO+8H₂O
①若反应后混合气体中CO₂的体积分数为，求该反应条件下混合气体的平均式量？
（假设每步反应都完全．答案保留2位小数）
②实际工业生产中，天然气很难反应完全．现有2.0×10⁶ mol的CH₄，若CH₄的利用率为95%，且反应结束后高温气体中CO的体积分数为0.02，求能生产多少吨BaS？（答案保留2位小数）

Answer 1

解：（1）16.0吨的氧化钡在足量的氧气中加热反应后，固体的质量变为17.6吨，故参加反应是氧气的质量为17.6吨-16吨=1.6吨，则：2BaO+O₂2BaO₂
2×153 32
m 1.6吨
所以m==15.3吨
故答案为：15.3；
（2）假定水为100g，则溶解3.9gBa（OH）₂?8H₂O，故溶液的质量为103.9g，3.9g氢氧化钡晶体中含有氢氧化钡的质量为3.9g×=2.117g，20℃时，Ba（OH）₂饱和溶液的质量分数为=0.02，
故答案为：0.02；
（3）最高点时，盐酸与氢氧化钡、碳酸钡恰好反应，最高点之前，盐酸有剩余，最高点之后氢氧化钡完全反应、碳酸钡有剩余，至横轴时氢氧化钡与盐酸恰好反应，碳酸钡不反应，
①、加入样品1.93生成气体112mL为二氧化碳，二氧化碳的物质的量为=0.005mol，根据碳原子守恒可知碳酸钡的物质的量为0.005mol，故11.58g混合物中含有的碳酸钡的物质的量为0.005mol×=0.03mol，故11.58g样品中BaCO₃的质量为0.03mol×197g/mol=5.91g，
答：11.58g样品中BaCO₃的质量为5.91g；
②、11.58g混合物中含有的氢氧化钡晶体的质量为11.58g-5.91g=5.57g．加入样品11.58g生成气体224mL二氧化碳，二氧化碳的物质的量为=0.01mol，故生成二氧化碳消耗的盐酸的物质的量为0.01mol×2=0.02mol，与氢氧化钡反应消耗的盐酸的物质的量为0.08L×1mol/L-0.02mol=0.06mol，故氢氧化钠晶体的物质的量为0.06mol×=0.03mol，故0.03×（171+18n）=5.57，解得n=1，
答：化学式Ba（OH）₂?nH₂O中n的值为1；
（4）①、假定二氧化碳为1mol，则混合气体共9mol，生成1mol二氧化碳的同时生成2mol，故生成CO的反应中CO、水的总物质的量为9mol-1mol-2mol=6mol，根据方程式可知生成CO的物质的量为6mol×=2mol，故混合物水的物质的量为9mol-1mol-2mol=6mol，故混合气体的平均相对分子质量为=23.11，
答：该反应条件下混合气体的平均式量23.11；
②、高温气体中CO的体积分数为0.02，由方程式可知产生CO反应中生成水所在的体积分数为0.04，故生成二氧化碳反应中产生的气体占有的体积分数为1-0.02-0.04=0.94，由方程式可知，二氧化碳的体积分数为0.94×，故混合气体中二氧化碳与CO的物质的量之比为0.94×：0.02=47：3，转化的甲烷物质的量为2.0×10⁶ mol×95%，由碳元素守恒可知，二氧化碳、CO的总的物质的量为2.0×10⁶ mol×95%，故二氧化碳为2.0×10⁶ mol×95%×，CO物质的量为2.0×10⁶ mol×95%×，结合方程式可知生成BaS的物质的量为2.0×10⁶ mol×95%×+2.0×10⁶ mol×95%××=2.0×10⁶×95%×mol，故生成BaS的质量为2.0×10⁶×95%×mol×169g/mol=316.28×10⁶ g=316.28吨，
答：能生产316.28吨BaS．
分析：（1）16.0吨的氧化钡在足量的氧气中加热反应后，固体的质量变为17.6吨，质量增重为参加反应是氧气的质量，据此根据方程式计算实际参加反应的氧化钡的质量；
（2）假定水为100g，则溶解3.9gBa（OH）₂?8H₂O，故溶液的质量为103.9g，根据化学式中氢氧化钡的质量分数计算3.9g氢氧化钡晶体中含有氢氧化钡的质量，再根据质量分数定义计算；
（3）最高点时，盐酸与氢氧化钡、碳酸钡恰好反应，最高点之前，盐酸有剩余，最高点之后氢氧化钡完全反应、碳酸钡有剩余，至横轴时氢氧化钡与盐酸恰好反应，碳酸钡不反应，
①、加入样品1.93生成气体112mL为二氧化碳，根据n=计算二氧化碳的物质的量，根据碳原子守恒计算碳酸钡的物质的量，根据定组成计算11.58g混合物中含有的碳酸钡的物质的量，进而根据m=nM计算碳酸钡的质量；
②、根据①中碳酸钡的质量计算11.58g混合物中含有的氢氧化钡晶体的质量．加入样品11.58g生成气体224mL二氧化碳，根据n=计算二氧化碳的物质的量，计算生成二氧化碳消耗的盐酸的物质的量，进而计算与氢氧化钡反应消耗的盐酸的物质的量，可得氢氧化钠晶体的物质的量，进而计算氢氧化钡晶体中n的值；
（4）①、假定二氧化碳为1mol，则混合气体共9mol，生成1mol二氧化碳的同时生成2mol，故生成CO的反应中CO、水的总物质的量为9mol-1mol-2mol=6mol，根据方程式可以计算生成CO的物质的量，进而计算混合物水的物质的量，再根据=计算；
②、高温气体中CO的体积分数为0.02，由方程式可知产生CO反应中生成水所在的体积分数为0.04，故生成二氧化碳反应中产生的气体占有的体积分数为1-0.02-0.04=0.94，由方程式可知，二氧化碳的体积分数为0.94×，据此计算混合气体中二氧化碳与CO的物质的量之比，根据转化的甲烷计算二氧化碳、CO的物质的量，结合方程式计算BaS的物质的量，进而计算其质量．
点评：本题考查混合物的有关计算，为拼凑型题目，题目计算量很大，阅读量很大，计算步骤多且繁琐，是对学生心理素质与综合能力的考查，难度较大，需要学生全面掌握知识并能灵活运用．