Question

10．硫酸是工業(yè)生產(chǎn)中最為重要的產(chǎn)品之一，在化學(xué)工業(yè)的很多領(lǐng)域都要用到濃硫酸．
（1）在硫酸工業(yè)生產(chǎn)中，我國采用黃鐵礦為原料生產(chǎn)SO₂，反應(yīng)的化學(xué)方程式為：4FeS₂ +11 O₂$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2Fe₂O₃+8SO₂，該反應(yīng)在沸騰爐（填設(shè)備名稱）中進(jìn)行．
（2）有關(guān)接觸法制硫酸的下列說法中，正確的是C．
A、工業(yè)上SO₂的催化氧化中SO₂和O₂的體積比恰好為2：1
B、吸收塔得到的是98.3%的濃硫酸
C、煅燒含硫48%的黃鐵礦時(shí)，若黃鐵礦損失了2%，則S損失2%
D、接觸室中采取高溫是為了提高催化劑的活性和提高SO₂的轉(zhuǎn)化率
（3）科研工作者開發(fā)了制備SO₂，再用電化學(xué)原理生產(chǎn)硫酸的方法，裝置如圖：為了穩(wěn)定技術(shù)生產(chǎn)，硫酸的濃度應(yīng)維持不變，則通入的SO₂和水的質(zhì)量比為16﹕29．
（4）實(shí)驗(yàn)測得SO₂反應(yīng)生成SO₃的轉(zhuǎn)化率與溫度、壓強(qiáng)有關(guān)，請根據(jù)下表信息，結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際，選擇最合適的生產(chǎn)條件是400⁰C 1個(gè)大氣壓．

	1個(gè)大氣壓	5個(gè)大氣壓	10個(gè)大氣壓	15個(gè)大氣壓
400℃	0.9961	0.9972	0.9984	0.9988
500℃	0.9675	0.9767	0.9852	0.9894
600℃	0.8520	0.8897	0.9276	0.9468

（5）硫酸工廠排放的尾氣中，含少量二氧化硫．為防止污染大氣，在排放前必須進(jìn)行尾氣處理并設(shè)法進(jìn)行綜合利用．硫酸工廠排放尾氣中的SO₂通常用足量石灰水吸收，然后再用稀硫酸處理．
①請寫出這種尾氣處理方法的優(yōu)點(diǎn)（寫出兩點(diǎn)即可）：原料生石灰、硫酸價(jià)格便宜且容易獲得、可得到石膏副產(chǎn)品．
②若某硫酸廠每天排放的1萬立方米（標(biāo)準(zhǔn)狀況）尾氣中含0.2%（體積分?jǐn)?shù)）的SO₂，通過上述方法處理，理論上用生石灰35kg，吸收的SO₂最多占SO₂總物質(zhì)的量的70%．

Answer 1

分析 （1）工業(yè)制硫酸是在沸騰爐中燃燒黃鐵礦；
（2）接觸法制硫酸的過程中，接觸室內(nèi)為提高SO₂的轉(zhuǎn)化率通常會(huì)增加氧氣的量，吸收塔內(nèi)是用98.3%的濃硫酸吸收SO₃得到發(fā)煙硫酸，結(jié)合原子利用率可知黃鐵礦的損失與S的損失率等同，SO₂的催化氧化是放熱反應(yīng)，升高溫度可以提高反應(yīng)速率，但平衡左移，反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率降低；
（3）利用原電池原理制硫酸溶液，通O₂的極為正極，電極反應(yīng)為O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O，通SO₂的極為了負(fù)極，電極反應(yīng)為2SO₂-4e^-+4H₂O=2SO₄^2-+8H⁺，結(jié)合正負(fù)極得失電子是相等的，即得原電池反應(yīng)2SO₂+O₂+2H₂O=2H₂SO₄，根據(jù)稀硫酸溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是50%，假設(shè)溶液里硫酸的質(zhì)量為98g，據(jù)此可計(jì)算出通入SO₂的質(zhì)量和水的質(zhì)量比；
（4）接觸室發(fā)生的反應(yīng)為2SO₂（g）+O₂（g）$\stackrel{△}{?}$2SO₃（g）△H＜0，升高溫度平衡逆向移動(dòng)，反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率降低，從圖表中可以看出，恒溫時(shí)增大壓強(qiáng)平衡正向移動(dòng)，但反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率變化幅度不大，但壓強(qiáng)的增大消耗能源及對設(shè)備的要求也高，故不易高壓，綜合考慮可選擇適宜溫度和壓強(qiáng)；
（5）①尾氣中的二氧化硫是酸雨的主要來源和重要的化工原料，隨意排放既污染大氣，也是一種資源浪費(fèi)，故對尾氣要凈化回收，選擇處理方法時(shí)可以從原料的成本和資源等方面考慮；
②知道尾氣的總量及SO₂的含量可計(jì)算出尾氣中SO₂的總量，根據(jù)消耗的生石灰的質(zhì)量可計(jì)算出吸收SO₂的量，然后可求算出SO₂的吸收率．

解答 （1）工業(yè)制硫酸是利用黃鐵礦在沸騰爐中燃燒生成二氧化硫，然后在接觸室催化氧化二氧化硫得三氧化硫，最后吸收塔用98%的濃硫酸吸收SO₃，其中黃鐵礦燃燒反應(yīng)方程式為4FeS₂ +11O₂$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2Fe₂O₃+8SO₂，故答案為：4FeS₂ +11 O₂$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2Fe₂O₃+8SO₂；沸騰爐；
（2）A、工業(yè)上SO₂的催化氧化中通過增加O₂也就是空氣的體積來提高SO₂的轉(zhuǎn)化率；故A錯(cuò)誤；
     B、吸收塔是利用98.3%的濃硫酸吸收SO₃得到的是發(fā)煙硫酸；故B錯(cuò)誤；
     C、煅燒黃鐵礦的過程是化學(xué)變化，遵守原子守恒，黃鐵礦和S的利用率相等，若黃鐵礦損失了2%，則S
     損失2%；故C正確；       
     D、接觸室中采取高溫是為了提高催化劑的活性，沒有提高SO₂的轉(zhuǎn)化率，原因此反應(yīng)是放熱反應(yīng)，升高
     溫度平衡逆向移動(dòng)，SO₂的轉(zhuǎn)化率反而會(huì)降低；故D錯(cuò)誤；
     故答案為：C；
（3）利用原電池氧化SO₂制硫酸的總反應(yīng)式2SO₂+O₂+2H₂O=2H₂SO₄，根據(jù)稀硫酸溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是50%，假設(shè)溶液里硫酸的質(zhì)量為98g，溶液里水的質(zhì)量也為98g，生成的硫酸的物質(zhì)的量為$\frac{98g}{98g/mol}$=1mol，結(jié)合原電池反應(yīng)式可知參加反應(yīng)的SO₂和H₂O的物質(zhì)的量也為1mol，則SO₂的質(zhì)量為1mol×64g/mol=64g，水的質(zhì)量為1mol×18g/mol=18g，通入通入SO₂的質(zhì)量和水的質(zhì)量比為$\frac{98g}{18g+98g}$=16﹕29，故答案為：16﹕29；
（4）從圖中可看出恒壓條件下升高溫度，SO₂的轉(zhuǎn)化率降低，因此選擇低溫400℃，在恒溫條件下增大壓強(qiáng)，SO₂的轉(zhuǎn)化率增大幅度較小，考慮到產(chǎn)生高壓會(huì)消耗能源及對設(shè)備的要求較高，因此選擇較低壓強(qiáng)為宜，故答案為：1個(gè)大氣壓、400℃；
（5）①通常用足量石灰水吸收尾氣中的SO₂生成CaSO₃，然后再用稀硫酸處理CaSO₃得到純凈的SO₂和CaSO₄，SO₂可重新用來制硫酸，CaSO₄制石膏，達(dá)到變廢為寶的目的，另一方面制石灰水的生石灰成本也低，資源也豐富，故答案為：原料生石灰、硫酸價(jià)格便宜且容易獲得；可得到石膏副產(chǎn)品；產(chǎn)生的SO₂含量較高可再利用作為原料；
②排放的總尾氣是1萬立方米（標(biāo)準(zhǔn)狀況）也就是10⁷L，其中含0.2%（體積分?jǐn)?shù)）SO₂的體積為10⁷L×0.2%=0.2×10⁵L，35kg生石灰的物質(zhì)的量為$\frac{35000g}{56g/mol}$=625mol，依據(jù)反應(yīng)CaO+H₂O=Ca（OH）₂、Ca（OH）₂+SO₂=CaSO₃+H₂O可知吸收的SO₂的物質(zhì)的量也為625mol，吸收的SO₂最多占SO₂總物質(zhì)的量的百分?jǐn)?shù)（或體積分?jǐn)?shù)）為$\frac{625mol×22.4L/mol}{20000L}×100%$=70%，故答案為：70%．

點(diǎn)評 考查硫酸的工業(yè)制法，涉及化學(xué)平衡的移動(dòng)，原電池原理，原子守恒在化學(xué)計(jì)算中的應(yīng)用，尾氣的處理原則，反應(yīng)條件的選擇等，對學(xué)生基礎(chǔ)要求較高，中等難度．