Question

9．硫酸工業(yè)在國民經濟中占有極其重要的地位．
（1）工業(yè)制硫酸時所用硫鐵礦的主要成分為FeS₂，其中硫元素的化合物為-1．
（2）硫酸的最大消費渠道是化肥工業(yè)，用硫酸制造的常見化肥有硫酸銨（或硫酸鉀或過磷酸鈣等）（任寫一種）．
（3）硫酸生產中，根據(jù)化學平衡原理來確定的條件或措施有D（填寫序號）．
A．礦石加入沸騰爐之前先粉碎        B．使用V₂O₅作催化劑
C．轉化器中使用適宜的溫度          D．凈化后的爐氣中要有過量的空氣
E．催化氧化在常壓下進行            F．吸收塔中用98.3%的濃硫酸吸收SO₃
（4）在硫酸工業(yè)中，通過下列反應使二氧化硫轉化為三氧化硫：
2SO₂（g）+O₂（g）$\stackrel{催化劑}{?}$2SO₃（g）△H=-98.3kJ•mol^-1
在實際工業(yè)生產中，常采用“二轉二吸法”，即將第一次轉化生成的SO₂分離后，將未轉化的SO₂進行二次轉化，假若兩次SO₂的轉化率均為95%，則最終SO₂的轉化率為99.75%．
（5）硫酸的工業(yè)制法過程涉及三個主要的化學反應及相應的設備（沸騰爐、轉化器、吸收塔））．
①三個設備分別使反應物之間或冷熱氣體間進行了“對流”．請簡單描述吸收塔中反應物之間是怎樣對流的．
SO₃從吸收塔底部進入，吸收劑（濃硫酸）從頂部下淋，形成對流．
②工業(yè)生產中常用氨-酸法進行尾氣脫硫，以達到消除污染、廢物利用的目的．用化學方程式表示其反應原理．（只寫出2個方程式即可）SO₂+NH₃+H₂O═NH₄HSO₃、2NH₄HSO₃+H₂SO₄═（NH₄）₂SO₄+2H₂O+2SO₂↑或SO₂+2NH₃+H₂O═（NH₄）₂SO₃、（NH₄）₂SO₃+H₂SO₄═（NH₄）₂SO₄+H₂O+SO₂↑．
（6）實驗室可利用硫酸廠爐渣（主要成分為鐵的氧化物及少量FeS、SiO₂等）制備聚鐵和綠礬（FeSO₄•7H₂O），聚鐵的化學式為[Fe₂（OH）_n（SO₄）_3-0.5n]_m，制備過程如圖所示，下列說法正確的是AB．

A．爐渣中FeS與硫酸和氧氣的反應的離子方程式為：4FeS+3O₂+12H⁺═4Fe³⁺+4S↓+6H₂O
B．氣體M的成分是SO₂，通入雙氧水得到硫酸，可循環(huán)使用
C．向溶液X中加入過量鐵粉，充分反應后過濾得到溶液Y，再將溶液Y蒸發(fā)結晶即可得到綠礬
D．溶液Z的pH影響聚鐵中鐵的質量分數(shù)，若其pH偏小，將導致聚鐵中鐵的質量分數(shù)偏大．

Answer 1

分析 （1）硫鐵礦的主要成分為FeS₂，其中硫元素化合價為-1價；
（2）硫酸的用途廣泛，化肥、醫(yī)藥、農藥的生產，金屬礦石的處理，金屬材料的表面清洗等都要用到硫酸；
（3）化學平衡的適用范圍是可逆反應，在工業(yè)接觸法制硫酸2SO₂+O_2?2SO₃為可逆反應，化學平衡移動的條件有：濃度、溫度、壓強．催化劑V₂O₅的作用是提高反應速率，溫度控制在450℃左右，是根據(jù)使催化劑的活性最強確定，壓強采用常壓．因此根據(jù)化學平衡移動原理來確定的條件只有濃度；
（4）轉化率：可逆反應到達平衡時，某反應物的轉化濃度（等于某反應物的起始濃度和平衡濃度的差）與該反應物的起始濃度比值的百分比．可用以表示可逆反應進行的程度；
（5）沸騰爐中，黃鐵礦從頂部加入，空氣從底部通入，形成對流；接觸室中熱交換器內部溫度高的氣體和外部溫度低的氣體形成熱量對流；吸收塔的氣體底部進入，從下向上運動，冷的濃硫酸從吸收塔頂部噴灑，從上向下運動，形成流動，進行熱量交換；
（6）分析流程可知爐渣加入硫酸溶液同時通入氧氣得到固體W為氧化還原反應生成的硫單質和SiO₂等，溶液X為含有Fe³⁺離子的溶液，調節(jié)溶液PH得到溶液Z加熱得到聚鐵，溶液X中加入鐵反應生成硫酸亞鐵溶液Y，蒸發(fā)結晶得到硫酸亞鐵晶體
A、爐渣中FeS與硫酸和氧氣反應生成硫單質硫酸鐵和水；
B、固體W灼燒得到氣體為二氧化硫；
C、溶液X中加入過量鐵粉，鐵和硫酸鐵溶液反應生成硫酸亞鐵，通過蒸發(fā)濃縮，冷卻結晶，過濾析出得到綠礬；
D、若溶液Z的PH偏小，則聚鐵中生成的氫氧根的含量減少，使鐵的含量減少．

解答 解：（1）硫鐵礦的主要成分為FeS₂，其中鐵元素化合價為+2價，則依據(jù)元素化合價代數(shù)和為0得到硫元素化合價為-1價，故答案為：-1；
（2）用硫酸制造的常見化肥有硫酸銨、硫酸氫銨、硫酸鋅、硫酸鉀等化肥，故答案為：硫酸銨或硫酸氫銨或硫酸鋅或硫酸鉀；
（3）硫酸生產中，第二步：SO₃的制取反應原理為：2SO₂+O₂$\frac{\underline{催化劑}}{△}$ 2SO₃，該反應為可逆反應，根據(jù)化學平衡原理為了提高SO₂的轉化率，通常采用增大O₂濃度的方法來達到使SO₂盡可能多的轉化為SO₃的目的．
A．礦石加入沸騰爐之前先粉碎，目的是為了增大黃鐵礦與空氣的接觸面，加快4FeS₂+11O₂ $\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2Fe₂O₃+8SO₂ 反應速率，而不是從2SO₂+O₂ $\frac{\underline{催化劑}}{△}$2SO₃ 反應中化學平衡角度考慮，故A不正確；
B．使用V₂O₅作催化劑，催化2SO₂+O₂$\frac{\underline{催化劑}}{△}$2SO₃ 反應，只能加快該反應的速率，不能使平衡移動，故B不正確；
C．接觸室中催化轉化器使用適宜的溫度，目的是使催化劑活性最強，使反應速率最快，而實際上升高溫度，會促使2SO₂+O₂$\frac{\underline{催化劑}}{△}$2SO₃ 平衡向吸熱方向移動，即逆向移動，不利于提高SO₂的轉化率，故C不正確；
D．從沸騰爐中出來的氣體成分為SO₂、O₂、N₂，經過凈化后，進入接觸室，爐氣中要有過量的空氣，即增大O₂濃度，會促使2SO₂+O₂ $\frac{\underline{催化劑}}{△}$2SO₃ 平衡正向移動，有利于提高SO₂的轉化率，故D正確；
E．接觸室中：2SO₂+O₂ $\frac{\underline{催化劑}}{△}$2SO₃，增大壓強促使平衡正向移動（即氣體總體積減小的方向），減小壓強促使平衡逆向移動（即氣體總體積增大的方向）．在常壓下，不利于平衡正向移動，不利于提高SO₂的轉化率．對于該化學平衡，壓強的增大，促使平衡正向移動，效果并不明顯，所以工業(yè)上直接采用常壓條件，而不采用高壓條件，故E不正確；
F．吸收塔中用98.3%的濃硫酸吸收SO₃，主要目的是防止產生酸霧，阻礙SO₃的吸收，與化學平衡移動原理無關，故F不正確；
故答案為：D；
（4）設二氧化硫的初始濃度為a，則第一次轉化掉的二氧化硫濃度為a×95%，剩余的二氧化硫濃度為a×（1-95%），進入第二次轉化，則第二次轉化掉的二氧化硫濃度為a×（1-95%）×95%
根據(jù)公式：轉化率═$\frac{消耗量}{起始量}$×100%
最終SO₂的轉化率═$\frac{a×95%+a（1-95%）×95%}{a}$×100%═99.75%，故答案為：99.75%；
（5）①從接觸室中出來的熱氣體SO₂、O₂、N₂、SO₃，在吸收塔的底部進入，從下向上運動，從吸收塔頂部噴灑冷的濃硫酸，從上向下運動；熱氣體SO₃與冷的濃硫酸相對流動，進行熱量交換，
故答案為：從接觸室中出來的熱氣體SO₂、O₂、N₂、SO₃，在吸收塔的底部進入，從下向上運動；從吸收塔頂部噴灑冷的濃硫酸，從上向下運動；熱氣體SO₃與冷的濃硫酸相對流動，進行熱量交換；
②工業(yè)生產中常用氨-酸法進行尾氣脫硫，即先用氨水吸收，再用濃硫酸處理．
先用氨水吸收時，發(fā)生反應：SO₂+2NH₃•H₂O═（NH₄）₂SO₃，再用濃硫酸處理時，發(fā)生反應：（NH₄）₂SO₃+H₂SO₄═（NH₄）₂SO₄+SO₂↑+H₂O，以達到消除污染、廢物利用的目的．
故答案為：SO₂+2NH₃•H₂O═（NH₄）₂SO₃，（NH₄）₂SO₃+H₂SO₄═（NH₄）₂SO₄+SO₂↑+H₂O；
（6）分析流程可知爐渣加入硫酸溶液同時通入氧氣得到固體W為氧化還原反應生成的硫單質和SiO₂等，溶液X為含有Fe³⁺離子的溶液，調節(jié)溶液PH得到溶液Z加熱得到聚鐵，溶液X中加入鐵反應生成硫酸亞鐵溶液Y，蒸發(fā)結晶得到硫酸亞鐵晶體
A、爐渣中FeS與硫酸和氧氣反應生成硫單質硫酸鐵和水，反應的離子方程式為4FeS+3O₂+12H⁺═4Fe³⁺+4S↓+6H₂O，故A正確；
B、爐渣加入硫酸溶液同時通入氧氣得到固體W為氧化還原反應生成的硫單質和SiO₂等，固體W灼燒得到氣體為二氧化硫，通入雙氧水得到硫酸，故B正確；
C、溶液X中加入過量鐵粉，鐵和硫酸鐵溶液反應生成硫酸亞鐵，通過蒸發(fā)濃縮，冷卻結晶，過濾析出得到綠礬，符合晶體析出步驟，故C錯誤；
D、用pH試紙測定方法為：將試紙放在表面皿上，用潔凈的玻璃棒蘸取待測液，點在試紙的中央，然后與標準比色卡對比．氫氧化鐵的含量比硫酸亞鐵高，若溶液Z的PH偏小，則聚鐵中生成的氫氧根的含量減少，使鐵的含量減少，故D錯誤；
故答案為：AB．

點評 本題考查的知識點多，主要是工業(yè)接觸法制硫酸的原理、反應速率、轉化率、反應的熱效應、工業(yè)尾氣的處理、化學方程式書寫等，只有掌握相關的基礎知識，解題并不困難，題目難度中等