Question

2．硫酸工业在国民经济中占有极其重要的地位．
（1）工业制硫酸时所用硫铁矿的主要成分为FeS₂，其中硫元素的化合物为-1．
（2）为充分利用反应放出的热量，接触室中应安装热交换器（填设备名称）．吸收塔中填充有许多瓷器，其作用是使浓H₂SO₄与SO₃充分接触，有利于SO₃的吸收．
（3）硫酸生产中，根据化学平衡原理来确定的条件或措施有D（填写序号）．
A．矿石加入沸腾炉之前先粉碎       B．使用V₂O₅作催化剂
C．转化器中使用适宜的温度          D．净化后的炉气中要有过量的空气
E．催化氧化在常压下进行            F．吸收塔中用98.3%的浓硫酸吸收SO₃
（4）在硫酸工业中，通过下列反应使二氧化硫转化为三氧化硫：2SO₂（g）+O₂（g）$\stackrel{催化剂}{→}$2SO₃（g）△H=-98.3kJ•mol^-1在实际工业生产中，常采用“二转二吸法”，即将第一次转化生成的SO₂分离后，将未转化的SO₂进行二次转化，假若两次SO₂的转化率均为95%，则最终SO₂的转化率为99.75%．
（5）某研究小组用NaOH溶液吸收二氧化硫，将所得的NaSO₄溶液进行电解循环再生，这种新工艺叫再生循环脱硫法．其中阴阳膜组合循环再生机理如图所示，a、b离子交换将电解槽分为三个区域，电极材料为石墨．
①图中a表示阳（填“阴”或“阳”）离子交换膜．A-E分别代表生产中的原料或产品．其中C是硫酸，则A是NaOH溶液，E是氢气．
②阳极的电极反应式为SO₃^2--2e^-+H₂O=2H⁺+SO₄^2-．

Answer 1

分析 （1）硫铁矿的主要成分为FeS₂，其中硫元素化合价为-1价；
（2）SO₂与O₂的反应为放热反应，为了充分利用能量，应安装热交换器；吸收塔中填充许多瓷管，增大三氧化硫与浓硫酸的接触面，有利于三氧化硫的吸收；
（3）化学平衡的适用范围是可逆反应，在工业接触法制硫酸2SO₂+O₂$\frac{\underline{催化剂}}{△}$2SO₃为可逆反应，化学平衡移动的条件有：浓度、温度、压强．催化剂V₂O₅的作用是提高反应速率，温度控制在450℃左右，是根据使催化剂的活性最强确定，压强采用常压．因此根据化学平衡移动原理来确定的条件只有浓度；
（4）转化率：可逆反应到达平衡时，某反应物的转化浓度（等于某反应物的起始浓度和平衡浓度的差）与该反应物的起始浓度比值的百分比．可用以表示可逆反应进行的程度；
（5）①从C为硫酸可知，b为阴离子交换膜．故a为阳离子交换膜．在阴极区应为水放电生成氢气和氢氧根，故A为氢氧化钠，E为氢气；
②阳极应为亚硫酸根放电生成硫酸根，写出即可．

解答 解：（1）硫铁矿的主要成分为FeS₂，其中铁元素化合价为+2价，则依据元素化合价代数和为0得到硫元素化合价为-1价，
故答案为：-1；
（2）SO₂与O₂的反应为放热反应，为了充分利用能量，应安装热交换器；吸收塔中填充许多瓷管，增大三氧化硫与浓硫酸的接触面，有利于三氧化硫的吸收，
故答案为：热交换器；使浓H₂SO₄与SO₃充分接触，有利于SO₃的吸收；
（3）硫酸生产中，第二步：SO₃的制取反应原理为：2SO₂+O₂$\frac{\underline{催化剂}}{△}$2SO₃，该反应为可逆反应，根据化学平衡原理为了提高SO₂的转化率，通常采用增大O₂浓度的方法来达到使SO₂尽可能多的转化为SO₃的目的．
A．矿石加入沸腾炉之前先粉碎，目的是为了增大黄铁矿与空气的接触面，加快4FeS₂+11O₂$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$2Fe₂O₃+8SO₂ 反应速率，而不是从2SO₂+O₂$\frac{\underline{催化剂}}{△}$2SO₃ 反应中化学平衡角度考虑，故A不正确；
B．使用V₂O₅作催化剂，催化2SO₂+O₂$\frac{\underline{催化剂}}{△}$2SO₃ 反应，只能加快该反应的速率，不能使平衡移动，故B不正确；
C．接触室中催化转化器使用适宜的温度，目的是使催化剂活性最强，使反应速率最快，而实际上升高温度，会促使2SO₂+O₂$\frac{\underline{催化剂}}{△}$2SO₃ 平衡向吸热方向移动，即逆向移动，不利于提高SO₂的转化率，故C不正确；
D．从沸腾炉中出来的气体成分为SO₂、O₂、N₂，经过净化后，进入接触室，炉气中要有过量的空气，即增大O₂浓度，会促使2SO₂+O₂$\frac{\underline{催化剂}}{△}$2SO₃ 平衡正向移动，有利于提高SO₂的转化率，故D正确；
E．接触室中：2SO₂+O₂$\frac{\underline{催化剂}}{△}$2SO₃，增大压强促使平衡正向移动（即气体总体积减小的方向），减小压强促使平衡逆向移动（即气体总体积增大的方向）．在常压下，不利于平衡正向移动，不利于提高SO₂的转化率．对于该化学平衡，压强的增大，促使平衡正向移动，效果并不明显，所以工业上直接采用常压条件，而不采用高压条件，故E不正确；
F．吸收塔中用98.3%的浓硫酸吸收SO₃，主要目的是防止产生酸雾，阻碍SO₃的吸收，与化学平衡移动原理无关，故F不正确；
故答案为：D；
（4）设二氧化硫的初始浓度为a，则第一次转化掉的二氧化硫浓度为a×95%，剩余的二氧化硫浓度为a×（1-95%），进入第二次转化，则第二次转化掉的二氧化硫浓度为a×（1-95%）×95%
    根据公式：转化率═转化浓度/初始浓度×100%
    最终SO₂的转化率═$\frac{a×95%+a×（1-95%）×95%}{a}×100%$═99.75%
故答案为：99.75%；
（5）①从C为硫酸可知，硫酸根来源于亚硫酸根放电．故b为阴离子交换膜，a为阳离子交换膜，在阴极区应为水放电生成氢气和氢氧根离子，故A为氢氧化钠，E为氢气，
故答案为：阳；NaOH溶液；氢气；
②阳极应为亚硫酸根放电生成硫酸根，反应的离子方程式为SO₃^2--2e^-+H₂O=2H⁺+SO₄^2-，
故答案为：SO₃^2--2e^-+H₂O=2H⁺+SO₄^2-．

点评 本题考查的知识点多，如：工业接触法制硫酸的原理、化合价的判断、转化率等，以及电极方程式的书写，只有掌握相关的基础知识，解题并不困难，难度中等．