Question

10．硫酸是工業(yè)生產(chǎn)中最為重要的產(chǎn)品之一，在化學工業(yè)的很多領域都要用到濃硫酸．
（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，反應的化學方程式為：4FeS₂ +11 O₂$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2Fe₂O₃+8SO₂，該反應在沸騰爐（填設備名稱）中進行．
（2）有關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，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的轉化率
（3）科研工作者開發(fā)了制備SO₂，再用電化學原理生產(chǎn)硫酸的方法，裝置如圖：為了穩(wěn)定技術生產(chǎn)，硫酸的濃度應維持不變，則通入的SO₂和水的質量比為16﹕29．
（4）實驗測得SO₂反應生成SO₃的轉化率與溫度、壓強有關，請根據(jù)下表信息，結合工業(yè)生產(chǎn)實際，選擇最合適的生產(chǎn)條件是400⁰C 1個大氣壓．

	1個大氣壓	5個大氣壓	10個大氣壓	15個大氣壓
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，在排放前必須進行尾氣處理并設法進行綜合利用．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（寫出兩點即可）：原料生石灰、硫酸價格便宜且容易獲得、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（標準狀況）尾氣中含0.2%（體積分數(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的轉化率通常會增加氧氣的量，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，升高溫度可以提高反應速率，但平衡左移，反應物的轉化率降低；
（3）利用原電池原理制硫酸溶液，通O₂的極為正極，電極反應為O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O，通SO₂的極為了負極，電極反應為2SO₂-4e^-+4H₂O=2SO₄^2-+8H⁺，結合正負極得失電子是相等的，即得原電池反應2SO₂+O₂+2H₂O=2H₂SO₄，根據(jù)稀硫酸溶液的質量分數(shù)是50%，假設溶液里硫酸的質量為98g，據(jù)此可計算出通入SO₂的質量和水的質量比；
（4）接觸室發(fā)生的反應為2SO₂（g）+O₂（g）$\stackrel{△}{?}$2SO₃（g）△H＜0，升高溫度平衡逆向移動，反應物的轉化率降低，從圖表中可以看出，恒溫時增大壓強平衡正向移動，但反應物的轉化率變化幅度不大，但壓強的增大消耗能源及對設備的要求也高，故不易高壓，綜合考慮可選擇適宜溫度和壓強；
（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，故對尾氣要凈化回收，選擇處理方法時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的含量可計算出尾氣中SO₂的總量，根據(jù)消耗的生石灰的質量可計算出吸收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\;}}{\;}$2Fe₂O₃+8SO₂；沸騰爐；
（2）A、工業(yè)上SO₂的催化氧化中通過增加O₂也就是空氣的體積來提高SO₂的轉化率；故A錯誤；
     B、吸收塔是利用98.3%的濃硫酸吸收SO₃得到的是發(fā)煙硫酸；故B錯誤；
     C、煅燒黃鐵礦的過程是化學變化，遵守原子守恒，黃鐵礦和S的利用率相等，若黃鐵礦損失了2%，則S
     損失2%；故C正確；       
     D、接觸室中采取高溫是為了提高催化劑的活性，沒有提高SO₂的轉化率，原因此反應是放熱反應，升高
     溫度平衡逆向移動，SO₂的轉化率反而會降低；故D錯誤；
     故答案為：C；
（3）利用原電池氧化SO₂制硫酸的總反應式2SO₂+O₂+2H₂O=2H₂SO₄，根據(jù)稀硫酸溶液的質量分數(shù)是50%，假設溶液里硫酸的質量為98g，溶液里水的質量也為98g，生成的硫酸的物質的量為$\frac{98g}{98g/mol}$=1mol，結合原電池反應式可知參加反應的SO₂和H₂O的物質的量也為1mol，則SO₂的質量為1mol×64g/mol=64g，水的質量為1mol×18g/mol=18g，通入通入SO₂的質量和水的質量比為$\frac{98g}{18g+98g}$=16﹕29，故答案為：16﹕29；
（4）從圖中可看出恒壓條件下升高溫度，SO₂的轉化率降低，因此選擇低溫400℃，在恒溫條件下增大壓強，SO₂的轉化率增大幅度較小，考慮到產(chǎn)生高壓會消耗能源及對設備的要求較高，因此選擇較低壓強為宜，故答案為：1個大氣壓、400℃；
（5）①通常用足量石灰水吸收尾氣中的SO₂生成CaSO₃，然后再用稀硫酸處理CaSO₃得到純凈的SO₂和CaSO₄，SO₂可重新用來制硫酸，CaSO₄制石膏，達到變廢為寶的目的，另一方面制石灰水的生石灰成本也低，資源也豐富，故答案為：原料生石灰、硫酸價格便宜且容易獲得；可得到石膏副產(chǎn)品；產(chǎn)生的SO₂含量較高可再利用作為原料；
②排放的總尾氣是1萬立方米（標準狀況）也就是10⁷L，其中含0.2%（體積分數(shù)）SO₂的體積為10⁷L×0.2%=0.2×10⁵L，35kg生石灰的物質的量為$\frac{35000g}{56g/mol}$=625mol，依據(jù)反應CaO+H₂O=Ca（OH）₂、Ca（OH）₂+SO₂=CaSO₃+H₂O可知吸收的SO₂的物質的量也為625mol，吸收的SO₂最多占SO₂總物質的量的百分數(shù)（或體積分數(shù)）為$\frac{625mol×22.4L/mol}{20000L}×100%$=70%，故答案為：70%．

點評 考查硫酸的工業(yè)制法，涉及化學平衡的移動，原電池原理，原子守恒在化學計算中的應用，尾氣的處理原則，反應條件的選擇等，對學生基礎要求較高，中等難度．