Question

2．硫酸工業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)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）為充分利用反應(yīng)放出的熱量，接觸室中應(yīng)安裝熱交換器（填設(shè)備名稱）．吸收塔中填充有許多瓷器，其作用是使?jié)釮₂SO₄與SO₃充分接觸，有利于SO₃的吸收．
（3）硫酸生產(chǎn)中，根據(jù)化學(xué)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(zhuǎn)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(jìn)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(yīng)使二氧化硫轉(zhuǎn)化為三氧化硫：2SO₂（g）+O₂（g）$\stackrel{催化劑}{→}$2SO₃（g）△H=-98.3kJ•mol^-1在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，常采用“二轉(zhuǎn)二吸法”，即將第一次轉(zhuǎn)化生成的SO₂分離后，將未轉(zhuǎn)化的SO₂進(jìn)行二次轉(zhuǎn)化，假若兩次SO₂的轉(zhuǎn)化率均為95%，則最終SO₂的轉(zhuǎn)化率為99.75%．
（5）某研究小組用NaOH溶液吸收二氧化硫，將所得的NaSO₄溶液進(jìn)行電解循環(huán)再生，這種新工藝叫再生循環(huán)脫硫法．其中陰陽膜組合循環(huán)再生機(jī)理如圖所示，a、b離子交換將電解槽分為三個區(qū)域，電極材料為石墨．
①圖中a表示陽（填“陰”或“陽”）離子交換膜．A-E分別代表生產(chǎn)中的原料或產(chǎn)品．其中C是硫酸，則A是NaOH溶液，E是氫氣．
②陽極的電極反應(yīng)式為SO₃^2--2e^-+H₂O=2H⁺+SO₄^2-．

Answer 1

分析 （1）硫鐵礦的主要成分為FeS₂，其中硫元素化合價(jià)為-1價(jià)；
（2）SO₂與O₂的反應(yīng)為放熱反應(yīng)，為了充分利用能量，應(yīng)安裝熱交換器；吸收塔中填充許多瓷管，增大三氧化硫與濃硫酸的接觸面，有利于三氧化硫的吸收；
（3）化學(xué)平衡的適用范圍是可逆反應(yīng)，在工業(yè)接觸法制硫酸2SO₂+O₂$\frac{\underline{催化劑}}{△}$2SO₃為可逆反應(yīng)，化學(xué)平衡移動的條件有：濃度、溫度、壓強(qiáng)．催化劑V₂O₅的作用是提高反應(yīng)速率，溫度控制在450℃左右，是根據(jù)使催化劑的活性最強(qiáng)確定，壓強(qiáng)采用常壓．因此根據(jù)化學(xué)平衡移動原理來確定的條件只有濃度；
（4）轉(zhuǎn)化率：可逆反應(yīng)到達(dá)平衡時，某反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化濃度（等于某反應(yīng)物的起始濃度和平衡濃度的差）與該反應(yīng)物的起始濃度比值的百分比．可用以表示可逆反應(yīng)進(jìn)行的程度；
（5）①從C為硫酸可知，b為陰離子交換膜．故a為陽離子交換膜．在陰極區(qū)應(yīng)為水放電生成氫氣和氫氧根，故A為氫氧化鈉，E為氫氣；
②陽極應(yīng)為亞硫酸根放電生成硫酸根，寫出即可．

解答 解：（1）硫鐵礦的主要成分為FeS₂，其中鐵元素化合價(jià)為+2價(jià)，則依據(jù)元素化合價(jià)代數(shù)和為0得到硫元素化合價(jià)為-1價(jià)，
故答案為：-1；
（2）SO₂與O₂的反應(yīng)為放熱反應(yīng)，為了充分利用能量，應(yīng)安裝熱交換器；吸收塔中填充許多瓷管，增大三氧化硫與濃硫酸的接觸面，有利于三氧化硫的吸收，
故答案為：熱交換器；使?jié)釮₂SO₄與SO₃充分接觸，有利于SO₃的吸收；
（3）硫酸生產(chǎn)中，第二步：SO₃的制取反應(yīng)原理為：2SO₂+O₂$\frac{\underline{催化劑}}{△}$2SO₃，該反應(yīng)為可逆反應(yīng)，根據(jù)化學(xué)平衡原理為了提高SO₂的轉(zhuǎn)化率，通常采用增大O₂濃度的方法來達(dá)到使SO₂盡可能多的轉(zhuǎn)化為SO₃的目的．
A．礦石加入沸騰爐之前先粉碎，目的是為了增大黃鐵礦與空氣的接觸面，加快4FeS₂+11O₂$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2Fe₂O₃+8SO₂ 反應(yīng)速率，而不是從2SO₂+O₂$\frac{\underline{催化劑}}{△}$2SO₃ 反應(yīng)中化學(xué)平衡角度考慮，故A不正確；
B．使用V₂O₅作催化劑，催化2SO₂+O₂$\frac{\underline{催化劑}}{△}$2SO₃ 反應(yīng)，只能加快該反應(yīng)的速率，不能使平衡移動，故B不正確；
C．接觸室中催化轉(zhuǎn)化器使用適宜的溫度，目的是使催化劑活性最強(qiáng)，使反應(yīng)速率最快，而實(shí)際上升高溫度，會促使2SO₂+O₂$\frac{\underline{催化劑}}{△}$2SO₃ 平衡向吸熱方向移動，即逆向移動，不利于提高SO₂的轉(zhuǎn)化率，故C不正確；
D．從沸騰爐中出來的氣體成分為SO₂、O₂、N₂，經(jīng)過凈化后，進(jìn)入接觸室，爐氣中要有過量的空氣，即增大O₂濃度，會促使2SO₂+O₂$\frac{\underline{催化劑}}{△}$2SO₃ 平衡正向移動，有利于提高SO₂的轉(zhuǎn)化率，故D正確；
E．接觸室中：2SO₂+O₂$\frac{\underline{催化劑}}{△}$2SO₃，增大壓強(qiáng)促使平衡正向移動（即氣體總體積減小的方向），減小壓強(qiáng)促使平衡逆向移動（即氣體總體積增大的方向）．在常壓下，不利于平衡正向移動，不利于提高SO₂的轉(zhuǎn)化率．對于該化學(xué)平衡，壓強(qiáng)的增大，促使平衡正向移動，效果并不明顯，所以工業(yè)上直接采用常壓條件，而不采用高壓條件，故E不正確；
F．吸收塔中用98.3%的濃硫酸吸收SO₃，主要目的是防止產(chǎn)生酸霧，阻礙SO₃的吸收，與化學(xué)平衡移動原理無關(guān)，故F不正確；
故答案為：D；
（4）設(shè)二氧化硫的初始濃度為a，則第一次轉(zhuǎn)化掉的二氧化硫濃度為a×95%，剩余的二氧化硫濃度為a×（1-95%），進(jìn)入第二次轉(zhuǎn)化，則第二次轉(zhuǎn)化掉的二氧化硫濃度為a×（1-95%）×95%
    根據(jù)公式：轉(zhuǎn)化率═轉(zhuǎn)化濃度/初始濃度×100%
    最終SO₂的轉(zhuǎn)化率═$\frac{a×95%+a×（1-95%）×95%}{a}×100%$═99.75%
故答案為：99.75%；
（5）①從C為硫酸可知，硫酸根來源于亞硫酸根放電．故b為陰離子交換膜，a為陽離子交換膜，在陰極區(qū)應(yīng)為水放電生成氫氣和氫氧根離子，故A為氫氧化鈉，E為氫氣，
故答案為：陽；NaOH溶液；氫氣；
②陽極應(yīng)為亞硫酸根放電生成硫酸根，反應(yīng)的離子方程式為SO₃^2--2e^-+H₂O=2H⁺+SO₄^2-，
故答案為：SO₃^2--2e^-+H₂O=2H⁺+SO₄^2-．

點(diǎn)評 本題考查的知識點(diǎn)多，如：工業(yè)接觸法制硫酸的原理、化合價(jià)的判斷、轉(zhuǎn)化率等，以及電極方程式的書寫，只有掌握相關(guān)的基礎(chǔ)知識，解題并不困難，難度中等．