Question

接觸法制H₂SO₄的基本原理是：

    ①4FeS₂+11O₂2Fe₂O₃+8SO₂

    ②2SO₂+O₂  2SO₃

    ③SO₃+H₂O  H₂SO₄

    其中排放的尾氣含少量SO₂，為防止污染大氣，在排放前應(yīng)設(shè)法進(jìn)行綜合利用。

    （1）某硫酸廠(chǎng)每天排放10000m³（換算成標(biāo)準(zhǔn)狀況下體積）尾氣中含0.2%（體積分?jǐn)?shù)）的SO₂，問(wèn)用NaOH溶液、石灰及氧氣處理后，假設(shè)硫元素不損失，理論上可得到多少千克石膏（CaSO₄·2H₂O）？

    （2）如果將一定體積的尾氣通入100mL2mol·L^-1的NaOH溶液使其完全反應(yīng)，經(jīng)測(cè)定所得溶液含16.7g溶質(zhì)。試分析溶液的成分，并計(jì)算各成分的物質(zhì)的量。

    （3）工廠(chǎng)在尾氣處理制石膏的過(guò)程中，中間產(chǎn)物是NaHSO₃，調(diào)節(jié)尾氣排放的流量，以取得SO₂和NaOH間物質(zhì)的量的最佳比值，從而提高NaHSO₃的產(chǎn)量�，F(xiàn)設(shè)n（SO₂）、n（NaOH）、n（NaHSO₃）分別表示SO₂、NaOH、NaHSO₃的物質(zhì)的量，且=x,試寫(xiě)出x在不同取值范圍時(shí)，n（NaHSO₃）的值或n（NaHSO₃）與n（SO₂）、n（NaOH）間的關(guān)系式。

x=n（SO2）/n（NaOH）	n（NaHSO3）

    提示：該題取材于接觸法制硫酸的過(guò)程中對(duì)廢氣SO₂的處理，即消除了SO₂對(duì)空氣的污染，又使SO₂得到綜合利用。該題在能力要求上有一定的深度和坡度。第（1）步考查多步反應(yīng)的計(jì)算，所發(fā)生的一系列反應(yīng)較為復(fù)雜，但根據(jù)S元素守恒找出關(guān)系式，即可得出答案。第（2）步涉及平行反應(yīng)中混合物的計(jì)算。反應(yīng)方程式為2NaOH+SO₂  Na₂SO₃+H₂O;NaOH+SO₂  aHSO₃。根據(jù)題給條件，對(duì)上述反應(yīng)運(yùn)用極值假設(shè)法進(jìn)行分析討論。第（3）步考查計(jì)算題中范圍討論的基礎(chǔ)知識(shí)，以及過(guò)量問(wèn)題和平行反應(yīng)的計(jì)算。

Answer 1

    

解析:

（1）設(shè)得CaSO₄·2H₂O的質(zhì)量為y。

    根據(jù)S元素守恒有：

    SO₂      ～      CaSO₄·2H₂O

    22.4L               172g

    10⁴×10³×0.2%L?     y

    y=153.6kg

     （2）若溶質(zhì)全為Na₂SO₃，則反應(yīng)為

    2NaOH+SO₂  Na₂SO₃+H₂O

    m（Na₂SO₃）=126g·mol^-1×2×mol=12.6g

    若溶質(zhì)全為NaHSO₃，則根據(jù)反應(yīng)

    NaOH+SO₂  NaHSO₃

    m（NaHSO₃）=104g·mol^-1×2×0.1mol=20.8g

    由于20.8>16.7>12.6,所以溶質(zhì)為Na₂SO₃和NaHSO₃的混合液。

    設(shè)混合物中NaHSO₃的物質(zhì)的量為m,Na₂SO₃的物質(zhì)的量為n。

    解法一：

    

    解之，得：m=0.1mol,?n=0.05mol

    解法二：用配平方程式計(jì)算

    （2n+m）NaOH+（m+n）SO₂  nNa₂SO₃+mNaHSO₃+nH₂O

    則有

    

    m=0.1mol    n=0.05mol

     （3）SO₂通入NaOH溶液時(shí)可能發(fā)生的反?應(yīng)為

    2NaOH+SO₂  Na₂SO₃+H₂O（Ⅰ）

    NaOH+SO₂  NaHSO₃（Ⅱ）

    ①當(dāng)x=≤時(shí)，反應(yīng)按（Ⅰ）式進(jìn)行，SO₂全部反應(yīng)，生成物皆為Na₂SO₃,故n（NaHSO₃）=0。

    ②當(dāng)x=≥1時(shí)，反應(yīng)按（Ⅱ）式進(jìn)行，NaOH全部反應(yīng)，生成物全是NaHSO₃，有n（NaHSO₃）=n（NaOH）。

    ③當(dāng)<x<1時(shí)，（Ⅰ）（Ⅱ）兩個(gè)反應(yīng)平行進(jìn)行，NaOH與SO₂兩物質(zhì)均耗盡，生成NaHSO₃和Na₂SO₃的混合物�！灿桑�2）步的分析可有〕

    n（NaHSO₃）+2n（Na₂SO₃）=n（NaOH）    （Na⁺守恒）

    n（Na₂SO₃）+n（NaHSO₃）=n（SO₂）       （S守恒）

    解之,得n（NaHSO₃）=2n（SO₂）-n（NaOH）