Question

【題目】基于CaSO4為載氧體的天然氣燃燒是一種新型綠色的燃燒方式,CaSO4作為氧和熱量的有效載體,能夠高效低能耗地實現(xiàn)CO2的分離和捕獲其原理如下圖所示:

（1）已知在燃料反應(yīng)器中發(fā)生如下反應(yīng):

i.4CaSO4(s)+CH4(g)=4CaO(s)+CO2(g)+4SO2(g)+2H2O(g) ΔH1=akJ/mol

ii.CaSO4(s)+CH4(g)=CaS(s)+CO2(g)+2H2O(g) ΔH2=bkJ/mol

ⅲ. CaS(s)+3CaSO4(s)= 4CaO(s)+4SO2(g) ΔH3=ckJ/mol

①燃料反應(yīng)器中主反應(yīng)為_________(填“i”“ii”或“ⅲ”)。

②反應(yīng)i和ii的平衡常數(shù)Kp與溫度的關(guān)系如圖1，則a_______0(填“ >”“ =“或“<” );720℃時反應(yīng)ⅲ的平衡常數(shù)Kp=________。

③下列措施可提高反應(yīng)ii中甲烷平衡轉(zhuǎn)化率的是_______。

A.增加CaSO4固體的投入量 B.將水蒸氣冷凝

C.降溫 D.增大甲烷流量

（2）如圖2所示,該燃料反應(yīng)器最佳溫度范圍為850℃ -900℃之間，從化學(xué)反應(yīng)原理的角度說明原因:_______。

（3）空氣反應(yīng)器中發(fā)生的反應(yīng)為

CaS(s) +2O2(g)=CaSO4(s) ΔH4=dkJ/mol

①根據(jù)熱化學(xué)原理推測該反應(yīng)為__________反應(yīng)。

②在天然氣燃燒過程中,可循環(huán)利用的物質(zhì)為________。

（4）該原理總反應(yīng)的熱化學(xué)方程式為____________

Answer 1

【答案】 ii > 1.0×10-18 B 溫度過低，反應(yīng)速率較慢 ；溫度較高，副反應(yīng)增多 放熱 CaS、CaSO4 CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(g) ΔH=(b+d)kJ/mol或ΔH=(a-c+d)kJ/mol

【解析】（1）①由圖示可得，天然氣和CaSO4進(jìn)入燃料反應(yīng)器，反應(yīng)生成CaS、CO2和H2O，故燃料反應(yīng)器中主反應(yīng)為ii。②由圖1可看出，溫度越高lgKp越大，即升溫Kp增大，故反應(yīng)i和反應(yīng)ii都是吸熱反應(yīng)，則a和b都大于0。設(shè)三個反應(yīng)的平衡常數(shù)Kp分別為：Kpi、Kpii、Kpⅲ，根據(jù)蓋斯定律，i-ii得ⅲ，所以Kpⅲ=；由圖并結(jié)合熱化學(xué)方程式可得720℃時反應(yīng)i的lgKp為：-2×4=-8，反應(yīng)ii的lgKp為10，所以Kpi=10-8，Kpii=1010，故Kpⅲ===1.0×10-18。③A項，增加固體物質(zhì)的投入量，不改變化學(xué)平衡，所以增加CaSO4固體的投入量不能提高反應(yīng)ii中甲烷平衡轉(zhuǎn)化率，故A錯誤；B項，將生成物分離出去能使化學(xué)平衡正向移動，所以將水蒸氣冷凝能提高反應(yīng)ii中甲烷平衡轉(zhuǎn)化率，故B正確；C項，通過②的分析，該反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，降溫能降低反應(yīng)ii中甲烷平衡轉(zhuǎn)化率，故C錯誤；D項，增大甲烷流量，增大了甲烷的濃度，平衡正向移動，但根據(jù)勒沙特列原理，甲烷平衡轉(zhuǎn)化率會降低，故D錯誤。

（2）從反應(yīng)速率角度考慮，溫度過低，反應(yīng)速率較慢，應(yīng)在較高溫度下反應(yīng)，但由圖2可得，溫度越高，副反應(yīng)增多，所以該燃料反應(yīng)器最佳溫度范圍為850℃~900℃之間。

（3）①由方程式可看出該反應(yīng)S<0，因為自發(fā)反應(yīng)H-TS<0，所以H<0，故該反應(yīng)為放熱反應(yīng)。②空氣反應(yīng)器中CaS和O2反應(yīng)生成CaSO4，燃料反應(yīng)器中，天然氣和CaSO4反應(yīng)生成CaS、CO2和H2O，所以在天然氣燃燒過程中可循環(huán)利用的物質(zhì)為：CaS和CaSO4。

（4）將反應(yīng)CaS(s) +2O2(g)=CaSO4(s) ΔH4=dkJ/mol標(biāo)號為iiii，分析空氣反應(yīng)器中發(fā)生的反應(yīng)和燃料反應(yīng)器中發(fā)生的反應(yīng)，根據(jù)蓋斯定律，ii+iiii或i-iii+iiii得該原理總反應(yīng)的熱化學(xué)方程式為：CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(g) ΔH=(b+d)kJ/mol或ΔH=(a-c+d)kJ/mol。