Question

重晶石（BaSO₄）是重要的化工原料，制備氫氧化鋇晶體[Ba(OH)₂·8H₂O]的流程如下：

（1）寫出煅燒時發生反應的熱化學方程式：____________________________。
（2）寫出氫氧化鋇晶體與氯化銨晶體混合反應的化學方程式：_____________________。
（3）為檢測煅燒時產生的CO，可將煅燒產生的氣體通入PbCl₂溶液中，出現黑色沉淀和產生一種無色無味能使澄清石灰水變渾濁的氣體，試寫出該反應的化學方程式：_____。
（4）向BaSO₄沉淀中加入飽和Na₂CO₃溶液，充分攪拌，棄去上層清液，如此處理多次，可使BaSO₄全部轉化為BaCO₃。發生的反應可表示為：
BaSO₄(s)+CO₃^2－(aq)BaCO₃(s)+SO₄^2－(aq)
現有0.20 mol BaSO₄，加入1.0L 2.0mol?L^－1飽和Na₂CO₃溶液處理，假設c(SO₄^2－)_起始≈0
平衡時，K=4.0x10^－2，求反應達到平衡時發生轉化的BaSO₄的物質的量。(寫出計算過程結果保留2位有效數字)
（5）試從平衡的角度解釋BaSO₄可轉化為BaCO₃的原因：________________________。

Answer 1

（17分）
（1）BaSO₄(s) + 4C(s)="BaS(s)" + 4CO(g)  △H="+571.2" kJ?mol^－1 
（4分，其中：方程式2分，ΔH 2分，錯漏單位扣1分，狀態錯漏0分。其他計量數，合理即給分）
（2）Ba(OH)₂·8H₂O +2NH₄Cl=BaCl₂+2NH₃↑+10 H₂O （2分，寫Ba(OH)₂反應給0分）
（3）CO +PbCl₂+H₂O=Pb↓+CO₂↑+2HCl （2分）
（4）設發生轉化的BaSO₄的物質的量為xmol，則平衡時c(SO₄^2－)為x mol?L^－1（1分）
BaSO₄（s）+CO₃^2－ BaCO₃（s）+SO₄^2－
起始濃度(mol?L^－1)：        2.0                            0
轉化濃度(mol?L^－1)：         x                             x
平衡濃度(mol?L^－1)：      (2.0—x)                 x     （1分）
K===4.0×10^－2  （2分，其中列式、代入數值各1分）
x = 7.7×10^－2  （2分，單位、有效數字錯漏合扣1分）
答：發生轉化的BaSO₄的物質的量為7.7×10^－2 mol
（5）BaSO₄沉淀中存在沉淀溶解平衡：BaSO₄(s)Ba²⁺(aq) + SO₄^2－(aq) （1分），加入飽和碳酸鈉溶液，CO₃^2－濃度增大，使Q_c(BaCO₃)=c(Ba²⁺)×c(CO₃^2－)＞K_sp(BaCO₃) ，形成碳酸鋇的過飽和溶液，因此析出BaCO₃沉淀（1分），c(Ba²⁺)減小，使BaSO₄沉淀向溶解方向移動，BaSO₄轉化為BaCO₃（1分）。（合理即給分）

解析試題分析：（1）硫酸鋇與焦碳在高溫下發生氧化還原反應，生成硫化鋇和一氧化碳，硫元素由+6降為—2價，碳元素由0升為+2價，根據化合價升降總數相等配平，則該反應為；BaSO₄(s)+4C(s)=BaS(s)+4CO(g)；將已知反應編號為①②③，觀察發現，②×2+③—①可得重晶石與焦碳的反應式，根據蓋斯定律，BaSO₄(s)+4C(s)=BaS(s)+4CO(g)的焓變=②的焓變×2+③的焓變—①的焓變=[—221×2—460—（—1473.2）]kJ/mol=+571.2 kJ/mol；（2）銨鹽與強堿能發生復分解反應，生成鹽、氨氣和水，由此推斷：Ba(OH)₂·8H₂O +2NH₄Cl=BaCl₂+2NH₃↑+10 H₂O；依題意，一氧化碳被氧化成二氧化碳，碳元素由+2升為+4價，則CO是還原劑，由此推斷氯化鉛是氧化劑，被還原為黑色的單質鉛，根據化合價升降總數相等配平，該反應為CO +PbCl₂+H₂O=Pb↓+CO₂↑+2HCl；（4）設發生轉化的BaSO₄的物質的量為xmol，則平衡時c(SO₄^2－)為x mol?L^－1（1分）
BaSO₄（s）+CO₃^2－ BaCO₃（s）+SO₄^2－
起始濃度(mol?L^－1)：        2.0                            0
轉化濃度(mol?L^－1)：         x                             x
平衡濃度(mol?L^－1)：       (2.0-x)                x     （1分）
K===4.0×10^－2  （2分，其中列式、代入數值各1分）
x = 7.7×10^－2  （2分，單位、有效數字錯漏合扣1分）
答：發生轉化的BaSO₄的物質的量為7.7×10^－2 mol。
（5）BaSO₄沉淀中存在沉淀溶解平衡：BaSO₄(s)Ba²⁺(aq) + SO₄^2－(aq)，加入飽和碳酸鈉溶液能增大CO₃^2－濃度，使Q_c(BaCO₃)=c(Ba²⁺)×c(CO₃^2－)＞K_sp(BaCO₃) ，形成碳酸鋇的過飽和溶液，因此析出BaCO₃沉淀，造成c(Ba²⁺)減小，使BaSO₄沉淀向溶解方向移動，BaSO₄轉化為BaCO₃。
考點：考查有關物質制備的化學工藝流程，涉及蓋斯定律、熱化學方程式、復分解反應、氧化還原反應、化學方程式、沉淀的轉化、化學平衡常數的計算、利用化學平衡移動原理解釋沉淀轉化的原因等。