Question

7．工业上以黄铁矿为原料生产硫酸主要分为三个阶段进行，即煅烧、催化氧化、吸收．请回答下列问题：
（1）煅烧黄铁矿形成的炉气必须经除尘、洗涤、干燥后进入接触室（填设备名称），其主要目的是防止催化剂中毒．
（2）催化氧化所使用的催化剂钒触媒（V₂O₅）能加快二氧化硫氧化速率，此过程中产生了一连串的中间体（如图1）．其中a、c二步的化学方程式可表示为：SO₂+V₂O₅?SO₃+V₂O₄、4VOSO₄+O₂?2V₂O₅+4SO₃．
（3）550℃时，SO₂转化为SO₃的平衡转化率（α）与体系总压强（p）的关系如图2所示．则：将2.0mol SO₂和1.0mol O₂置于5L密闭容器中，反应达平衡后，体系总压强为0.10M Pa．A与B表示不同压强下的SO₂转化率，通常情况下工业生产中采用常压的原因是使用常压SO₂就可以达到较高的转化率．
（4）为循环利用催化剂，科研人员最新研制了一种离子交换法回收钒的新工艺，回收率达91.7%以上．已知废钒催化剂中含有V₂O₅、VOSO₄及不溶性残渣．查阅资料知：VOSO₄可溶于水，V₂O₅难溶于水，NH₄VO₃难溶于水．该工艺的流程如图3．
则：反应①②③④中属于氧化还原反应的是①②（填数字序号），反应①的离子方程式为V₂O₅+SO₃^2-+4H⁺=2VO²⁺+SO₄^2-+2H₂O．该工艺中反应③的沉淀率（又称沉矾率）是回收钒的关键之一，沉钒率的高低除受溶液pH影响外，还需要控制氯化铵系数（NH₄Cl加入质量与料液中V₂O₅的质量比）和温度．根据如图4试建议控制氯化铵系数和温度：4、80℃．

Answer 1

分析 （1）煅烧黄铁矿形成的炉气主要是二氧化硫气体，进入接触室前必须对气体继续除尘、洗涤、干燥，防止催化剂中毒，影响催化氧化的效果；
（2）根据催化剂参与反应过程生成的中间产物，分析催化剂参与反应，最终重新生成来书写化学方程式；
（3）压强的增加引起SO₂转化率的变化并不明显，所以工业上直接采用常压；
（4）根据流程中钒元素的存在化合物中的化合价的变化，判断出发生氧化还原反应的是①②；反应①是利用亚硫酸钠在酸性溶液中的还原性把难溶的V₂O₅转化为易溶于水的VOSO₄便于钒的提取；根据图1和图2分析坐标系中的表示含义，结合图②中的沉矾率在80度C时最大，约为98%，在图①中找到对应沉矾率98%下的控制氯化铵系数为4．

解答 解：（1）以黄铁矿为原料生产硫酸主要分为三个阶段进行，即煅烧、催化氧化、吸收；其中二氧化硫的催化氧化在催化剂表面和空气中的氧气接触反应，若气体中含有杂质气体容易使催化剂中毒，所以煅烧黄铁矿形成的炉气必须经除尘、洗涤、干燥，故答案为：接触室，防止催化剂中毒；
（2）依据图1中的转化关系，V₂O₅参与反应先做氧化剂把二氧化硫氧化为三氧化硫，本身被还原为图中产物V₂O₄；根据氧化还原反应的实质写出并配平a步化学方程式SO₂+V₂O₅?SO₃+V₂O₄；C是VOSO₄转化为SO₃，此过程需要重新生成催化剂V₂O₅，需要氧化剂完成，此过程中的氧化剂时氧气，根据化合价的变化写出C步化学方程式 4VOSO₄+O₂?2V₂O₅+4SO₃，故答案为：SO₂+V₂O₅?SO₃+V₂O₄；4VOSO₄+O₂?2V₂O₅+4SO₃ ；
（3）从图象中可以看出，常压SO₂就可以达到较高的转化率，压强的增加引起SO₂转化率的变化并不明显，所以工业上直接采用常压，故答案为：使用常压SO₂就可以达到较高的转化率；
（4）依据离子交换法回收钒的新工艺流程图分析反应过程中：
①的目的是把难溶的五氧化二钒还原为溶于水的VOSO₄；
②的目的是用KClO₃还原为VOSO₄为（VO₂）₂SO₄；
③因为NH₄VO₃难溶于水，此步骤的目的是沉淀VO₃^-
④是分解NH₄VO₃得到V₂O₅；
工艺中反应③的沉淀率（又称沉矾率）是回收钒的关键之一，沉钒率的高低除受溶液pH影响外，还需要控制氯化铵系数（NH₄Cl加入质量与料液中V₂O₅的质量比）和温度．根据图示分析数据，80℃时沉矾率最高为98%，所以加NH₄Cl的系数从图中读出为4，故答案为：①②；V₂O₅+SO₃^2-+4H⁺=2VO²⁺+SO₄^2-+2H₂O；4和80℃．

点评 本题考查了工业制硫酸的生产步骤、原理应用、注意问题，化学平衡的应用和条件选择，利用信息进行判断和书写化学方程式的能力，图象分析能力，提取钒元素的流程分析和氧化还原反应的应用．