Question

10．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 +11 O₂$\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、工业上SO₂的催化氧化中SO₂和O₂的体积比恰好为2：1
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，若黄铁矿损失了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，则通入的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400⁰C 1个大气压．

	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．
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，理论上用生石灰35kg，吸收的SO₂最多占SO₂总物质的量的70%．

Answer 1

分析 （1）工业制硫酸是在沸腾炉中燃烧黄铁矿；
（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）$\stackrel{△}{?}$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知道尾气的总量及SO₂的含量可计算出尾气中SO₂的总量，根据消耗的生石灰的质量可计算出吸收SO₂的量，然后可求算出SO₂的吸收率．

解答 （1）工业制硫酸是利用黄铁矿在沸腾炉中燃烧生成二氧化硫，然后在接触室催化氧化二氧化硫得三氧化硫，最后吸收塔用98%的浓硫酸吸收SO₃，其中黄铁矿燃烧反应方程式为4FeS₂ +11O₂$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$2Fe₂O₃+8SO₂，故答案为：4FeS₂ +11 O₂$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$2Fe₂O₃+8SO₂；沸腾炉；
（2）A、工业上SO₂的催化氧化中通过增加O₂也就是空气的体积来提高SO₂的转化率；故A错误；
     B、吸收塔是利用98.3%的浓硫酸吸收SO₃得到的是发烟硫酸；故B错误；
     C、煅烧黄铁矿的过程是化学变化，遵守原子守恒，黄铁矿和S的利用率相等，若黄铁矿损失了2%，则S
     损失2%；故C正确；       
     D、接触室中采取高温是为了提高催化剂的活性，没有提高SO₂的转化率，原因此反应是放热反应，升高
     温度平衡逆向移动，SO₂的转化率反而会降低；故D错误；
     故答案为：C；
（3）利用原电池氧化SO₂制硫酸的总反应式2SO₂+O₂+2H₂O=2H₂SO₄，根据稀硫酸溶液的质量分数是50%，假设溶液里硫酸的质量为98g，溶液里水的质量也为98g，生成的硫酸的物质的量为$\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}$=16﹕29，故答案为：16﹕29；
（4）从图中可看出恒压条件下升高温度，SO₂的转化率降低，因此选择低温400℃，在恒温条件下增大压强，SO₂的转化率增大幅度较小，考虑到产生高压会消耗能源及对设备的要求较高，因此选择较低压强为宜，故答案为：1个大气压、400℃；
（5）①通常用足量石灰水吸收尾气中的SO₂生成CaSO₃，然后再用稀硫酸处理CaSO₃得到纯净的SO₂和CaSO₄，SO₂可重新用来制硫酸，CaSO₄制石膏，达到变废为宝的目的，另一方面制石灰水的生石灰成本也低，资源也丰富，故答案为：原料生石灰、硫酸价格便宜且容易获得；可得到石膏副产品；产生的SO₂含量较高可再利用作为原料；
②排放的总尾气是1万立方米（标准状况）也就是10⁷L，其中含0.2%（体积分数）SO₂的体积为10⁷L×0.2%=0.2×10⁵L，35kg生石灰的物质的量为$\frac{35000g}{56g/mol}$=625mol，依据反应CaO+H₂O=Ca（OH）₂、Ca（OH）₂+SO₂=CaSO₃+H₂O可知吸收的SO₂的物质的量也为625mol，吸收的SO₂最多占SO₂总物质的量的百分数（或体积分数）为$\frac{625mol×22.4L/mol}{20000L}×100%$=70%，故答案为：70%．

点评 考查硫酸的工业制法，涉及化学平衡的移动，原电池原理，原子守恒在化学计算中的应用，尾气的处理原则，反应条件的选择等，对学生基础要求较高，中等难度．