Question

硫酸工业在国民经济中占有极其重要的地位．请回答硫酸工业中的如下问题：
（1）早期生产硫酸以黄铁矿为原料，目前很多国家都已经限制以黄铁矿为原料而以硫磺为原料，以硫磺为原料的优点是______．
（2）工业上生产硫酸时，利用催化氧化反应将SO₂转化为SO₃由一个关键步骤．压强及温度对SO₂转化率的影响如下表（原料气各成分的体积分数为：SO₂7%；O₂11%；N₂82）利用表中数据分析，在实际生产中选择的适宜生产条件是：
温度______℃，压强______MPa．

压强/Mpa 转化率/% 温度/℃	0.1	0.5	1	10
400	99.2	99.6	99.7	99.9
500	93.5	96.9	97.8	99.3
600	73.7	85.8	89.5	96.4

（3）选择适宜的催化剂，是否可以提高SO₂的转化率？______（填“是”或“否”），是否可以增大该反应所放出的热量？______（填“是”或“否”）．
（4）为提高SO₃吸收率，实际生产中通常用______吸收SO₃．
（5）在催化反应室中设有热交换装置，以下叙述与热交换装置的作用有关的是______（填写序号）
A．保护环境，防止空气污染    
B．充分利用热量，降低生产成本
C．升高温度，提高SO₂的转化率  
D．防止催化剂中毒
（6）在硫酸工业尾气中，SO₂是主要大气污染物，必须进行净化处理，处理方法可用______（填名称）吸收，然后再用硫酸处理，重新生成SO₂和一种生产水泥的辅料，写出这两步反应的化学方程式______．

Answer 1

解（1）第一步：SO₂的制取．主要原料是黄铁矿和空气，在高温下煅烧，使硫元素转变成SO₂气体，
反应方程式为4FeS₂+11O₂2Fe₂O₃+8SO₂，设备为沸腾炉．反应放热．从沸腾炉中出来的成分为SO₂、O₂、N₂、水蒸气、灰尘、砷硒化合物等，砷硒化合物能导致催化剂失去催化活性，所以在进入接触室前要除去水蒸气、灰尘、砷硒化合物．目前很多国家都已经限制以黄铁矿为原料而以硫磺为原料，反应为：S+O₂SO₂，反应后的产物中不含灰尘、砷硒化合物，也就减少了净化、除尘等步骤．两者相比较，以硫磺为原料缩短了生产流程，简化了设备，同时也消除了砷硒化合物的污染等，
故答案为：生产流程短，设备简单，三废治理量小，劳动生产率高，易于设备大型化等；
（2）工业上利用2SO₂（g）+O₂（g）2SO₃（g），△H=-98.3kJ?mol^-1反应制备SO₃，该反应为可逆反应，
正方向为放热反应，从化学平衡移动条件分析应该采用低温高压．而根据表格中提供的数据发现，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；同时反应中使用催化剂，为了使催化剂的催化活性最强，根据表格中提供的数据应该采用400℃～500℃
故答案为：400℃～500℃；0.1；
（3）2SO₂（g）+O₂（g）2SO₃（g），△H=-98.3kJ?mol^-1，该反应为可逆反应，正方向为放热反应，
催化剂只能改变化学反应速率，减少达平衡的反应时间，不能导致平衡发生移动，所以不能提高SO₂的转化率，也不能增大该反应所放出的热量，
故答案为：否；否；
（4）吸收塔中SO₃如果用水吸收，发生反应：SO₃+H₂O═H₂SO₄，该反应为放热反应，放出的热量易导致酸雾形成，阻碍水对三氧化硫的吸收；而浓硫酸的沸点高，难以气化，不会形成酸雾，同时三氧化硫易溶于浓硫酸，所以工业上从吸收塔顶部喷洒浓硫酸作吸收液，最终得到“发烟”硫酸，
故答案为：98%的浓硫酸；
（5）A．从沸腾炉中出来的气体，温度较高，进入催化反应室中的热交换装置，对催化剂进行预热，当催化剂达到一定温度时二氧化硫与氧气在催化剂作用下反应，可以充分利用热量，降低生产成本，故A不正确；
B．从沸腾炉中出来的气体，温度较高，进入催化反应室中的热交换装置，对催化剂进行预热，当催化剂达到一定温度时二氧化硫与氧气在催化剂作用下反应，同时反应放出的热量一方面维持自身的运行另一方面也可预热进入催化反应室的气体，故B正确；
C．2SO₂（g）+O₂（g）2SO₃（g），△H=-98.3kJ?mol^-1，该正方向为放热反应，温度升高促使平衡逆向移动，不会提高SO₂的转化率，故C不正确；
D．从沸腾炉中出来的气体，含有砷硒化合物，可以导致催化剂中毒，但在进入催化反应室前，先要经过净化、除尘处理，以除去砷硒化合物，所以不会发生催化剂中毒现象，故D不正确；
故答案为：B；
（6）在硫酸工业尾气中，SO₂是主要大气污染物，也是酸性氧化物，进行净化处理时可以用碱液吸收，如NaOH、氨水、石灰水等，生成亚硫酸盐，然后再用硫酸处理，重新生成SO₂和一种生产水泥的辅料，则碱液可选择石灰水，反应为SO₂+Ca（OH）₂═CaSO₃↓+H₂O、CaSO₃+H₂SO₄═CaSO₄+SO₂↑+H₂O，
故答案为：石灰水；SO₂+Ca（OH）₂═CaSO₃↓+H₂O、CaSO₃+H₂SO₄═CaSO₄+SO₂↑+H₂O．
分析：（1）工业制硫酸流程中第一步：SO₂的制取．原料的选择要根据不同国家、不同地区矿石的分布情况确定，
主要有S、FeS₂、FeS、H₂S、CuFeS₂等含硫矿石可以选择制取SO₂，反应方程式为：
S+O₂SO₂
4FeS₂+11O₂2Fe₂O₃+8SO₂
4FeS+7O₂2Fe₂O₃+4SO₂
2H₂S+3O₂2SO₂+2H₂O
4CuFeS₂+13O₂2Fe₂O₃+4CuO+8SO₂，具体选择需结合资源分布状况和生产流程、设备、环境污染等确定；
（2）根据题目提供的数据分析二氧化硫催化氧化的适宜条件和原因．从催化剂的催化活性去确定温度的选择，从反应进行程度的大小、设备的耐压性、控制成本等角度考虑；
（3）正确理解影响反应速率的条件和化学平衡移动的条件，催化剂可影响反应速率而不能导致平衡移动；
（4）吸收塔中吸收液的选择从实际吸收效果考虑不采用水而采用浓硫酸，可防止产生酸雾；
（5）熟悉催化反应室中热交换装置的作用，即可确定选项；
（6）硫酸工业尾气中SO₂净化处理方法很多，SO₂是酸性氧化物，因此常用碱液吸收，如氨水、氢氧化钠溶液、石灰水等，再结合题意要获得生产水泥的辅料，即可确定选择的试剂．
点评：本题考查工业接触法制硫酸的相关细节，如原料的选择、反应条件的选择、热交换器的作用、工业尾气的处理等内容，只要了解基础知识都能迎刃而解，难度一般．