Question

3．工业上用重晶石（BaSO₄）制备其他钡盐的常用方法主要有高温煅烧还原法、沉淀转化法等．
I． 高温煅烧还原法
工业上利用重晶石高温煅烧还原法制备BaCl₂的工艺流程图如下：

某研究小组在实验室用重晶石（主要成分BaSO₄）对工业过程进行模拟实验．查表得：
BaSO₄（s）+4C（s）$\stackrel{高温}{?}$4CO（g）+BaS（s）△H₁=+571.2kJ•mol^-1     ①
BaSO₄（s）+2C（s）$\stackrel{高温}{?}$2CO₂（g）+BaS（s）△H₂=+226.2kJ•mol^-1     ②
（1）气体用过量NaOH溶液吸收，得到硫化钠．Na₂S水解的离子方程式为：S^2-+H₂O?HS^-+OH^-、HS^-+H₂O?H₂S+OH^-．
（2）反应C（s）+CO₂（g）$\stackrel{高温}{?}$2CO（g）的△H=+172.5kJ•mol^-1．
（3）实际生产中必须加入过量的炭，同时还要通入空气，其目的可能是使BaSO₄得到充分的还原（或提高BaS的产量），①②为吸热反应，炭和氧气反应放热维持反应所需高温．
II．沉淀转化法
（4）已知K_SP（ BaSO₄）=1.0×10^-10，K_SP（ BaCO₃）=2.5×10^-9．某同学设想用饱和Na₂CO₃溶液和盐酸将BaSO₄转化成BaCl₂，若用10L Na₂CO₃溶液一次性溶解并完全转化1.0mol BaSO₄（溶液体积变化可忽略不计），则该转化过程的离子方程式为BaSO₄（s）+CO₃^2-（aq）?BaCO₃（s）+SO₄^2-； 反应的平衡常数K=0.04；Na₂CO₃溶液的最初浓度不得低于1.25×10^-3．

Answer 1

分析 重晶石高温煅烧还原法制备BaCl₂的过程为重晶石加入碳高温焙烧，得到物质加入盐酸溶解过滤得到滤液通过蒸发浓缩，冷却结晶，过滤洗涤得到晶体，
（1）Na₂S水解呈碱性，且有两步水解，以第一步水解为主；
（2）利用盖斯定律计算反应热；
（3）加入过量C可提高重晶石的转化率，同时维持反应进行；
（4）BaSO₄电离出的钡离子与碳酸根离子结合生成碳酸钡沉淀；平衡常数K=$\frac{c（S{{O}_{4}}^{2-}）}{c（C{{O}_{3}}^{2-}）}$，结合Ksp（BaSO₄）、Ksp（BaCO₃）计算，根据Ksp（BaSO₄）计算饱和溶液中硫酸根离子的浓度，再根据平衡常数计算c（CO₃^2-）．

解答 解：（1）Na₂S水解呈碱性，且有两步水解，以第一步水解为主，第一步水解生成离子HS^-，第二步水解生成H₂S，水解的离子方程式分别为S^2-+H₂O?HS^-+OH^-、HS^-+H₂O?H₂S+OH^-，故答案为：S^2-+H₂O?HS^-+OH^-、HS^-+H₂O?H₂S+OH^-；
（2）利用盖斯定律求解：
BaSO₄（s）+4C（s）$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$4CO（g）+BaS（s）△H₁=571.2kJ•mol^-1     ①
BaSO₄（s）+2C（s）$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$2CO₂（g）+BaS（s）△H₂=226.2kJ•mol^-1    ②
将以上两个热化学方程式相减，然后除以2可得：
C（s）+CO₂（g）$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$2CO（g）△H=$\frac{571.2KJ/mol-226.2KJ/mol}{2}$=+172.5kJ•mol^-1，
故答案为：+172.5；
（3）加入过量C可提高重晶石的转化率，以上反应为吸热反应，炭和氧气反应放热维持反应所需高温，
故答案为：使BaSO₄得到充分的还原（或提高BaS的产量）；①②为吸热反应，炭和氧气反应放热维持反应所需高温；
（4）用饱和Na₂CO₃溶液处理BaSO₄沉淀，BaSO₄电离出的钡离子与碳酸根离子结合生成碳酸钡沉淀，其转化的方程式为：BaSO₄（s）+CO₃ ^2-（aq）?BaCO₃（s）+SO₄^2-（aq）；该反应的平衡常数K=$\frac{c（S{{O}_{4}}^{2-}）}{c（C{{O}_{3}}^{2-}）}$=$\frac{c（{{B}_{a}}^{2+}）c（S{{O}_{4}}^{2-}）}{c（{{B}_{a}}^{2+}）c（C{{O}_{3}}^{2-}）}$=$\frac{Ksp（BaS{O}_{4}）}{Ksp（BaC{O}_{3}）}$=$\frac{1.0×1{0}^{-9}}{2.5×1{0}^{-9}}$=0.04；已知Ksp（BaSO₄）=1.0×10^-10，则饱和硫酸钡溶液中硫酸根离子的浓度c（SO₄^2-）=$\sqrt{Ksp（BaS{O}_{4}）}$=5.0×10^-5mol/L，则c（CO₃^2-）=$\frac{c（S{{O}_{4}}^{2-}）}{K}$=$\frac{5.0×1{0}^{-5}}{0.04}$=1.25×10^-3mol/L，
故答案为：BaSO₄（s）+CO₃^2-（aq）?BaCO₃（s）+SO₄^2-；0.04；1.25×10^-3．

点评 本题考查了沉淀的转化、平衡常数的计算、溶度积的计算等，题目难度中等，侧重于考查学生的计算能力和分析能力．