Question

以黄铁矿为原料生产硫酸的工艺流程图如下：

（1）将燃烧黄铁矿的化学方程式补充完整
4

 

+11O₂

高温  .

2Fe₂O₃+8SO₂
（2）接触室中发生反应的化学方程式是

 

．
（3）依据工艺流程图判断下列说法正确的是（选填序号字母）

 

．
a．为使黄铁矿充分燃烧，需将其粉碎
b．过量空气能提高SO₂的转化率
c．使用催化剂能提高SO₂的反应速率和转化率
d．沸腾炉排出的矿渣可供炼铁
（4）每160g SO₃气体与H₂O化合放出260.6kJ的热量，该反应的热化学方程式是

 

．
（5）吸收塔排出的尾气先用氨水吸收，再用浓硫酸处理，得到较高浓度的SO₂和铵盐．
①SO₂既可作为生产硫酸的原料循环再利用，也可用于工业制溴过程中吸收潮湿空气中的Br₂．SO₂吸收Br₂的离子方程式是

 

．
②为测定该铵盐中氮元素的质量分数，将不同质量的铵盐分别加入到50.00mL相同浓度的NaOH溶液中，沸水浴加热至气体全部逸出（此温度下铵盐不分解），该气体经干燥后用浓硫酸吸收完全，测定浓硫酸增加的质量．
部分测定结果：
铵盐质量为10.00g和20.00g时，浓硫酸增加的质量相同；
铵盐质量为30.00g时，浓硫酸增加的质量为0.68g；铵盐质量为40.00g时，浓硫酸的质量不变．
计算：该铵盐中氮元素的质量分数是

 

%；若铵盐质量为l5.00g，浓硫酸增加的质量为

 

．（计算结果保留两位小数）

Answer 1

分析：（1）利用工业制硫酸的原理分析，需要的原料是黄铁矿；
（2）接触室内的反应是二氧化硫的催化氧化；
（3）依据影响反应速率的因素和平衡移动的影响因素分析解答；
（4）每160g SO₃气体物质的量为2mol；与液态H₂O化合放出260.6kJ的热量，依据热化学方程式书写方法写出，标注物质聚集状态和对应量的反应热；
（5）二氧化硫吸收溴单质利用的是二氧化硫的还原性和溴单质的氧化性；根据氧化还原反应书写离子方程式；
（6）本反应历程是：OH^-首先是和NH₄HSO₃中的H⁺反应，随后有多的OH^-再和NH₄⁺反应放出氨气，所以随着铵盐的量的增大，NH₄HSO₃的量也增大，放出的氨气的量会为0．浓硫酸增加的质量就是氨气的质量．第一次和第二次放出的氨气的量是一样的，所以说第一次肯定是OH^-的量过量．利用第二次的量计算（因为是OH^-不足）．

解答：解：（1）依据题意，黄铁矿是制硫酸的第一步所需的原料，由成分可知化学式为FeS₂，故答案为：FeS₂；
（2）沸腾炉中生成的二氧化硫气体和空气中的氧气在接触室内发生的催化氧化反应生成三氧化硫；2SO₂+O₂

催化剂 .

△

2SO₃  故答案为：2SO₂+O₂

催化剂 .

△

2SO₃；
（3）粉碎矿石增大接触面积提高反应速率；增加空气的量会使平衡正向进行，提高了二氧化硫的转化率；催化剂只改变速率不改变平衡，不改变转化率；生产过程中的矿渣中含有三氧化二铁；所以正确的是abd；故答案为：abd；
（4）每160g SO₃气体物质的量为2mol；与液态H₂O化合放出260.6kJ的热量，1mol三氧化硫和水反应放热130.3KJ；热化学方程式为：SO₃（g）+H₂O（l）=H₂SO₄（l）；△H=-130.3kJ/mol
故答案为：SO₃（g）+H₂O（l）=H₂SO₄（l）；△H=-130.3kJ/mol；
（5）①SO₂吸收Br₂的反应中二氧化硫被氧化为硫酸，溴单质被还原为溴化氢，离子方程式为SO₂+Br₂+2H₂O=4H⁺+2Br^-+SO₄^2-，故答案为：SO₂+Br₂+2H₂O=4H⁺+2Br^-+SO₄^2-；
②从吸收塔出来的气体用一定量氨水吸收，得到的铵盐产品是（NH₄）₂SO₃和NH₄HSO₃的混合物；本反应历程是：OH^-首先是和NH₄HSO₃中的H⁺反应，随后有多的OH^-再和NH₄⁺反应放出氨气，所以随着铵盐的量的增大，NH₄HSO₃的量也增大，放出的氨气的量会为0；
由题知铵盐质量为30.00g时，产生0.04molNH₃．该铵盐中NH₄HSO₄先与NaOH溶液反应，2NH₄HSO₄+2NaOH=（NH₄）₂SO₄+Na₂SO₄+H₂O，只有当NH₄HSO₄中的H⁺消耗完全后，NH₄⁺才能与NaOH溶液反应产生NH₃，NH₄⁺+OH^-=NH₃↑+H₂O．据此判断铵盐质量为10.00g时NaOH溶液过量，铵盐质量为20.00g和30.00g时，消耗的NaOH质量相等．设10.00g铵盐中NH₄HSO₄ 与（NH₄）₂SO₄的物质的量分别为X、Y，n（NH₃）=n（OH^-）-n（H⁺），则有：

铵盐质量/g	10.00	20.00	30.00	40.00
含NH4HSO4、（NH4）2SO4/mol	X、Y	2X、2Y	3X、3Y	4X、4Y
产生NH3/mol	X+2Y	X+2Y	0.04	0
消耗NaOH/mol	2X+2Y	3X+2Y	3X+0.04	3X+0.04

因此3X+2Y=3X+0.04，解得Y=0.02mol，又115X+132Y=10.00，得X=0.064mol．则该铵盐中氮元素的质量分数=

(0.064+2×0.02)×14

10.00

×100%=14.56%．计算15.00 g铵盐与NaOH溶液反应产生的NH₃；由上面讨论可知此NaOH溶液中共有0.232molNaOH，当铵盐质量为15.00g时含0.096mol NH₄HSO₄和0.03mol （NH₄）₂SO₄，共有NH₄⁺和H⁺ 0.252mol，故NaOH不足，此时产生n（NH₃）=（0.232-0.096）mol=0.136mol，NH₃的质量=0.136mol×17g/mol=2.31g．
故答案为：14.56； 2.31g．

点评：本题考查了工业制硫酸的基本原理，考查化学平衡的影响因素和化学反应速率的影响因素，以硫酸工业尾气的吸收为载体考查化学计算，涉及混合物计算，过量问题的计算、范围讨论型计算、信息迁移型计算、NH₄⁺、H⁺与NaOH溶液反应的先后顺序等知识，定性与定量相结合，综合性强，难度较大．