Question

2．硫酸是工业生产中最为重要的产品之一，在化学工业的很多领域都要用到浓硫酸．
（1）在硫酸工业生产中，我国采用黄铁矿为原料生产SO₂，反应的化学方程式为：4FeS₂+11O₂$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$2Fe₂O₃+8SO₂，该反应在沸腾炉（填设备名称）中进行．
（2）有关接触法制硫酸的下列说法中，正确的是C．
A．二氧化硫的接触氧化在合成塔中发生
B．吸收塔得到的是98.3%的浓硫酸
C．煅烧含硫48%的黄铁矿时，若FeS₂损失了2%，则S损失2%
D．接触室中采取高温是为了提高催化剂的活性和提高SO₂的转化率
（3）科研工作者开发了制备SO₂，再用电化学原理生产硫酸的方法，装置如图：为了稳定技术生产，硫酸的浓度应维持不变，则通人的SO₂和水的质量比为16﹕29．
（4）实验测得SO₂反应生成SO₃的转化率与温度、压强有关，请根据下表信息，结合工业生产实际，选择最合适的生产条件是400℃．1个标准大气压．

压强 SO2转化率 温度	1个大气压	5个大气压	10个大气压	15个大气压
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）硫酸工厂排放的尾气中，含少量二氧化硫．为防止污染大气，在排放前必须进行尾气处理并设法进行综合利用．硫酸工厂排放尾气中的SO₂通常用足量石灰水吸收，然后再用稀硫酸处理．
①请写出这种尾气处理方法的优点（写出两点即可）：原料生石灰、硫酸价格便宜且容易获得；可得到石膏副产品；产生的SO₂含量较高可再利用作为原料
②若某硫酸厂每天排放的1万立方米（标准状况）尾气中含0.2%（体积分数）的SO₂，通过上述方法处理，理论上需生石灰50kg．

Answer 1

分析 （1）工业制硫酸是在沸腾炉中燃烧黄铁矿，煅烧时与O₂反应生成Fe₂O₃和SO₂；
（2）接触法制硫酸的过程中，接触室内为提高SO₂的转化率通常会增加氧气的量，吸收塔内是用98.3%的浓硫酸吸收SO₃得到发烟硫酸，结合原子利用率可知黄铁矿的损失与S的损失率等同，SO₂的催化氧化是放热反应，升高温度可以提高反应速率，但平衡左移，反应物的转化率降低；
（3）利用原电池原理制硫酸溶液，通O₂的极为正极，电极反应为O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O，通SO₂的极为了负极，电极反应为2SO₂-4e^-+4H₂O=2SO₄^2-+8H⁺，结合正负极得失电子是相等的，即得原电池反应：2SO₂+O₂+2H₂O=2H₂SO₄，根据稀硫酸溶液的质量分数是50%，假设溶液里硫酸的质量为98g，据此可计算出通入SO₂的质量和水的质量比；
（4）接触室发生的反应为2SO₂（g）+O₂（g）$?_{△}^{催化剂}$2SO₃（g）△H＜0，升高温度平衡逆向移动，反应物的转化率降低，从图表中可以看出，恒温时增大压强平衡正向移动，但反应物的转化率变化幅度不大，但压强的增大消耗能源及对设备的要求也高，故不易高压，综合考虑可选择适宜温度和压强；
（5）①尾气中的二氧化硫是酸雨的主要来源和重要的化工原料，随意排放既污染大气，也是一种资源浪费，故对尾气要净化回收，选择处理方法时可以从原料的成本和资源等方面考虑；
②结合关系式关系式CaO～Ca（OH）₂～SO₂～CaSO₃计算．

解答 解：（1）黄铁矿的主要成分为FeS₂，煅烧时与O₂反应生成Fe₂O₃和SO₂，化学方程式为：4FeS₂+11O₂$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$2Fe₂O₃+8SO₂；黄铁矿煅烧的设备是沸腾炉；
故答案为：4FeS₂+11O₂$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$2Fe₂O₃+8SO₂；沸腾炉；
（2）A、SO₂转化为SO₃在接触室中进行，故A错误；
B、吸收塔是利用98.3%的浓硫酸吸收SO₃得到的是发烟硫酸，故B错误；
C、煅烧黄铁矿的过程是化学变化，遵守原子守恒，黄铁矿和S的利用率相等，若黄铁矿损失了2%，则S损失2%，故C正确；
D、接触室中采取高温是为了提高催化剂的活性，没有提高SO₂的转化率，原因此反应是放热反应，升高温度平衡逆向移动，SO₂的转化率反而会降低，故D错误；
故选C；
（3）利用原电池氧化SO₂制硫酸的总反应式：2SO₂+O₂+2H₂O=2H₂SO₄，根据稀硫酸溶液的质量分数是50%，假设溶液里硫酸的质量为98g，溶液里水的质量也为98g，生成的硫酸的物质的量为$\frac{98g}{98g/mol}$=1mol，结合原电池反应式可知参加反应的SO₂和H₂O的物质的量也为1mol，则SO₂的质量为1mol×64g/mol=64g，水的质量为1mol×18g/mol=18g，通入通入SO₂的质量和水的质量比为$\frac{98g}{18g+98g}$=16﹕29；
故答案为：16﹕29；
（4）因为SO₂与O₂的反应是放热反应，温度高，平衡逆向移动，所以选择的温度为400℃，而1个标准大气压时SO₂的转化率已经很大，再增大压强，SO₂的转化率提高不大，但会增加生产成本，所以选择1个标准大气压；
故答案为：400℃，1个标准大气压；
（5）①通常用足量石灰水吸收尾气中的SO₂生成CaSO₃，然后再用稀硫酸处理CaSO₃得到纯净的SO₂和CaSO₄，SO₂可重新用来制硫酸，CaSO₄制石膏，达到变废为宝的目的，另一方面制石灰水的生石灰成本也低，资源也丰富；
故答案为：原料生石灰、硫酸价格便宜且容易获得；可得到石膏副产品；产生的SO₂含量较高可再利用作为原料；
②若某硫酸厂每天排放的1万立方米（标准状况）尾气中含0.2%（体积分数）的SO₂，则n（SO₂）=$\frac{10000×0.2%×1{0}^{3}L}{22.4L/mol}$=893mol，由关系式CaO～Ca（OH）₂～SO₂～CaSO₃可知，需要893molCaO，质量为893mol×56g/mol=50000g=50kg；
故答案为：50．

点评 本题考查了工业制硫酸的生成过程和反应特征，二氧化硫的催化氧化反应的条件选择，尾气吸收的方法判断，二氧化硫接触室催化氧化反应的平衡移动，题目难度中等．