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CO2的分離和捕獲其原理如下圖所示:

（1）已知在燃料反應器中發生如下反應:

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燃料反應器中主反應為_________(填“i”“ii”或“ⅲ”)。

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

③下列措施可提高反應ii中甲烷平衡轉化率的是_______。

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,該燃料反應器最佳溫度范圍為850℃ -900℃之間，從化學反應原理的角度說明原因:_______。

（3）空氣反應器中發生的反應為

CaS(s) +2O2(g)=CaSO4(s) ΔH4=dkJ/mol

①根據熱化學原理推測該反應為__________反應。

②在天然氣燃燒過程中,可循環利用的物質為________。

（4）該原理總反應的熱化學方程式為____________

Answer 1

【答案】 ii > 1.0×10-18 B 溫度過低，反應速率較慢 ；溫度較高，副反應增多 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進入燃料反應器，反應生成CaS、CO2和H2O，故燃料反應器中主反應為ii。②由圖1可看出，溫度越高lgKp越大，即升溫Kp增大，故反應i和反應ii都是吸熱反應，則a和b都大于0。設三個反應的平衡常數Kp分別為：Kpi、Kpii、Kpⅲ，根據蓋斯定律，i-ii得ⅲ，所以Kpⅲ=；由圖并結合熱化學方程式可得720℃時反應i的lgKp為：-2×4=-8，反應ii的lgKp為10，所以Kpi=10-8，Kpii=1010，故Kpⅲ===1.0×10-18。③A項，增加固體物質的投入量，不改變化學平衡，所以增加CaSO4固體的投入量不能提高反應ii中甲烷平衡轉化率，故A錯誤；B項，將生成物分離出去能使化學平衡正向移動，所以將水蒸氣冷凝能提高反應ii中甲烷平衡轉化率，故B正確；C項，通過②的分析，該反應為吸熱反應，降溫能降低反應ii中甲烷平衡轉化率，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，但根據勒沙特列原理，甲烷平衡轉化率會降低，故D錯誤。

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

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

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