高三化学
硫酸工业
（一）网上课堂
[本讲主要内容]
一．接触法制硫酸
1．造气：
原理：S(s)+O2(g)SO2(g)；ΔH=-297KJ/mol
FeS2(s)+O2(g)==Fe2O3(s)+2SO2(g)；ΔH=-853KJ/mol
设备：沸腾炉
2．接触氧化：
原理：SO2(g)+O2(g) SO3(g)；ΔH=-98.3KJ/mol
设备：接触室，热交换器。
3．SO3的吸收：
原理：SO3(g)+H2O(l)==H2SO4(l)；ΔH=-130.3KJ/mol
设备：吸收塔
二．关于硫酸工业综合经济效益的讨论
1．化工生产中综合经济效益考虑以下几个方面：
①最大限度地提高劳动生产率
②降低成本
③保护生态环境
④为国民经济各部门提供质优价廉的化工产品，以满足不同需要。
2．硫酸厂建厂的考虑因素：
①生产规模不能太小，应发展年产4万吨以上的制硫酸装置。
②硫酸厂厂址离硫酸消费中心不能太远。
③硫酸厂不应建在人口稠密的居民区和环保要求高的地区。
三．硫酸生产中“三废”的处理：
1．废气用氨水吸收，再用硫酸处理：
SO2+2NH3+H2O==(NH4)2SO3
(NH4)2SO3+H2SO4==(NH4)2SO4+SO2↑+H2O
2．废水用石灰乳中和处理：
Ca(OH)2+H2SO4==CaSO4+2H2O
3．废渣可作为制水泥的原料或用于制砖，含铁品位高的矿渣，经处理后可以炼铁。
[学习指导]
1．硫酸生产过程中所用到的化工原理：
①在FeS2燃烧时，将黄铁矿研成粉未，进入沸腾炉，目的是增大固体与气体的接触面积，加快反应速率。
②在SO2转化为SO3时：
A．选择400℃～500℃高温和常压。虽然SO2转化为SO3是一个正向放热且体积缩小的反应，理论上应为高压低温有利于SO2的转化。而实际上若生产中温度低反应速率慢且催化剂活性不高，故选400℃～500℃温度。高压增大投资，提高成本且在400℃～500℃常压时SO2的转率已经超过93%，故选常压即可。
B．生产中通入过量的空气，提高SO2转化率。
C．生产中利用热交换器来冷却生成的SO3，预热参加反应的SO2和空气，从而节省能源，降低成本。
③在SO3吸收时用逆流原理，而且在吸收塔内有大量磁环，增加SO2和浓H2SO4的接触面积，使SO3被浓H2SO4吸收充分。
2．硫酸生产过程示意图：
[例题精讲]
例1．生产H2SO4时，若进入接触室的气体体积组成为SO27%，O211%，N282%，进入接触室反应后，总体积变为原来的96.7%（同温，同压下），求SO2的转化率。
[解题]94.3%
[分析及解]本题可用“差量法”来解。由于平衡体系中全是气体，可用同温同压下气体体积差进行巧解。可以设进入接触室前的气体是100L，则生成气体进96.7L，体积减少了100-96.7=3.3L。
2SO2+O2?2SO3 △V
2 1
x 3.3L
∴x=6.6L，即SO2转化了6.6L。
SO2转化率=。
例2．下图表示由黄铁矿为开始反应物的一系列变化，其中不含硫的反应产物已略去。
（1）写出化学式：A______、B______、C______、D_______、E、______。
（2）写出化学方程式①____________、③____________、⑤____________。
（3）写出离子方程式②____________、④____________。
[解题]
FeS S SO2 H2SO4 H2S
（2）①FeS2FeS+S↑
③S+O2SO2
⑤C+2H2SO4(浓)CO2↑+2SO2↑+2H2O
（3）②FeS+2H+=Fe2++H2S↑
④SO2+Cl2+2H2O==4H++SO42-+2Cl-
[分析及解]此题为无机物之间相互反应的框图题，解此类题的关键是找突破口。本题的突破口是根据黄铁矿燃烧得SO2，故C为SO2，则D为H2SO4，再根据B与O2 反应得SO2，知B可能为S，可知FeS2加热得FeS(A)和S(B)，从而知F为FeSO4，E为H2S。
例3．通常状况下能共存且能用浓H2SO4干燥的气体组是（ ）
A．SO2，Cl2，H2S B．O2，H2，SO2
C．CH4，H2，Cl2 D．CO，SO3，O2
[解题]B
[分析及解]A组中SO2和H2S不能共存，且H2S不能用浓H2SO4干燥；B组中SO2和O2只存在加热且有催化剂条件下才反应，因此可共存且可用浓H2SO4干燥；C组中H2和Cl2不能共存，可见光照射时易发生爆炸；D组中SO3不能用浓H2SO4干燥，因其可吸收SO3。总的来说，浓H2SO4不能干燥四种酸性气体：H2S，HBr，HI因还原性太强而不行；SO3因被浓H2SO4吸收而不行。
二．网上能力训练题
A．基础性训练题
1．工业上把黄铁矿粉碎成细小矿粒后，才放入沸腾炉内进行燃烧，其目的是______。从沸腾炉里出来的炉气含有____等杂质以及水蒸气，因此在进行接触氧化前必须使炉气通过除尘，洗涤，干净等净化设备，其目的是__________。工业上用98.3%的硫酸而不直接用水或稀硫酸来吸收SO3，其目的是__________。从吸收塔上部的出气管排出的尾气其主要成分是______，这种尾气在空气中形成“酸雾”的主要成分是____________。
2．下列反应的离子方程式正确的是（ ）
A．次氯酸钙溶液中通入过量CO2：Ca2++2ClO-+H2O+CO2==CaCO3↓+2HClO
B．FeSO4溶液中加入过氧化氢溶液：Fe2++2H2O2+4H+==Fe3++4H2O
C．用氨水吸收少量SO2：NH3·H2O+SO2==NH4++HSO3-
D．硝酸铁溶液中加过量氨水：Fe3++3NH3·H2O==Fe(OH)3↓+3NH4+
3．（97上海，12）你认为减少酸雨产生的途径可采取的措施是①用煤作燃烧②把工厂烟囱造高③燃料脱硫④在已酸化的土壤中加石灰⑤开发新能源（ ）
A．①②③ B．②③④⑤
C．③⑤ D．①③④⑤
4．（99上海）在硫酸工业生产中，为了有利于SO2的转化，且能充分利用热能，采用了中间有热交换器的接触室（见图3-1），按此密闭体系中气流的流向则A处流出的气体为（ ）
A．SO2 B．SO3、O2
C．SO2、O2 D．SO2、SO3
5．近闻美国和日本正在研究用Na2SO3吸收法作为治理SO2污染的一种新方法：第一步是用Na2SO3水溶液吸收SO2；第二步是加热吸收液，使之重新生成Na2SO3，同时得到含高浓度SO2的水蒸气副产品，写出上述两步反应的化学方程式：
①________________________________________；
②________________________________________。
B．提高性训练题
1．（92上海）下列说法错误的是（ ）
A．Na2SO3与BaCl2溶液作用，有白色沉淀，加稀硝酸后沉淀消失
B．将SO2气体通入Ba(OH)2溶液中有白色沉淀生成
C．将SO2气体通入BaCl2溶液中有白色沉淀生成
D．将SO2气体通入用硝酸酸化的BaCl2溶液中有白色沉淀生成
E．将HNO3酸化后的BaCl2试液加入到某种溶液中有白色沉淀生成，不能判断该溶液中一定存在SO42-离子
2．（92全国，22）设计了四种制备气体的方案：①加热稀H2SO4和乙醇制备乙烯，②加热稀盐酸和MnO2制备Cl2，③用稀H2SO4和大理石制备CO2，④用稀HNO3和FeS制备H2S。不宜采用的方案有哪些？
A．只有①② B．只有②和③
C．只有③和④ D．①②③④
3．（93上海，22）下列叙述正确的是（ ）
A．久置于空气中的氢氧化钠溶液，加盐酸时有气体产生
B．50mL12mol·L-1的浓盐酸与足量的二氧化锰反应，能生成氯气0.15mol
C．常温下，浓硫酸不与铜反应，是因为铜被钝化
D．少量二氧化碳通入浓的氯化钙溶液能生成白色沉淀
4．（93上海，21）在氢硫酸溶液中加入少量下列物质：①O2②Cl2③SO2④CuSO4能使溶液pH值减小的是（ ）
A．①③ B．②④ C．②③④ D．①
5．（95上海，24）为方便某些化学计算，有人将98%浓硫酸表示成下列形式，其中合理的是（ ）
A．H2SO4·1/9H2O B．H2SO4·H2O
C．H2SO4·SO3 D．SO3·10/9H2O
6．（99上海，20）下列离子方程式书写正确的是（ ）
A．碳酸氢钙溶液中加入等物质的量的氢氧化钠溶液
Ca2++2HCO3-+2OH-==CaCO3↓+2H2O+CO32-
B．碳酸钠溶液中加入等物质的量的乙酸
CO32-+2HAc==CO2↑+H2O+2Ac-
C．石灰水中通入过量的氟化氢
Ca2++2OH-+2HF==CaF2↓+2H2O
D．用炭棒作电极电解氯化钠饱和溶液
2Cl-+2H2O2OH-+Cl2↑+H2↑
7．（96上海，31）为防治酸雨，降低燃烧时向大气排放的SO2，工业上将生石灰和含硫煤混合后使用。请写出燃烧时，有关“固硫”（不使硫化合物进入大气）反应的化学方程式：___________________。
8．（94上海，36）从某物质A的水溶液出发有下图3-3所示的一系列变化：
试回答：
（1）物质的分子式：A__________，B__________，C__________，D__________，E__________，F__________；
（2）写出E→F的离子方程式__________。
（3）鉴定物质F的方法_______________。
9．含有60%的FeS2的黄铁矿1吨，最多能制得浓H2SO4多少吨？（设SO2到SO3的转化率为98%。）
C．研究性习题
（97上海，36）接触法制硫酸排放的尾气中含少量的SO2，为防止污染大气，在排放前设法进行综合利用。
（1）某硫酸厂每天排放的10000m3尾气中含0.2%（体积分数）的SO2，问用NaOH溶液、石灰及O2处理后，假设硫元素不损失，理论上可得到多少千克石膏（CaSO4·2H2O）？
（2）如果将一定体积的尾气通入100mL2mol·L-1的NaOH溶液中使其完全反应，经测定所得溶液含16.7g溶质。试分析该溶液的成分，并计算确定各成分的物质的量。
（3）工厂在尾气处理制石膏的过程中，中间产物是NaHSO3。调节尾气排放的流量，以取得SO2与NaOH间物质的量的最佳比值，从而提高亚硫酸氢钠的产量。现设n(SO2)、n(NaOH)、n(NaHSO3)分别表示SO2、NaOH和NaHSO3的物质的量，且，试写出x在不同取值范围时，n(NaHSO3)的值或n(NaHSO3)与n(SO2)、n(NaOH)间n(NaOH)的关系式。
x
n(NaHSO3)
能力训练题点拨与解答
A．基础性训练题
1．[解答]使矿粉与空气充分接触燃烧快，反应完全，提高利用率；砷硒化合物，矿尘；防止催化剂中毒及水蒸气对设备产生不良影响，防止形成酸雾，尽量吸收干净；N 2、SO2、O2等；SO2。
2．[解答]D
[点拨]A中因CO2的量多，CaCO3应转化为Ca(HCO3)2,正确的应写为：ClO-+H2O+CO2==HCO3-+HClO；B中电荷不守恒，应写为2Fe2++2H2O2+4H+==2Fe3++4H2O；D中因NH3·H2O过量，产物是正盐而不是酸式盐，应写为2NH3·H2O+SO2==2NH4++SO32-+H2O。
3．[解答]C
4．[解答]C
[点拨]SO2和O2进入热交换器的管外时，虽具备合成温度，但无V2O5催化，不会生成SO3，只有SO2和O2。
5．[解答]
①SO2+Na2SO3+H2O==2NaHSO3
②2NaHSO3Na2SO3+SO2↑+H2O
B．提高性训练题
1．[解答]A、C
[点拨]A、D、E中均加入HNO3能生成BaSO4沉淀，但E溶液还可能含SO32-或Ag+。C因SO2溶于水生成的H2SO3是弱酸故不能与BaCl2反应。A中SO32-会被HNO3氧化成SO42-，因而沉淀不会消失。
2．[解答]D
[点拨]①要用浓H2SO4；②要用浓HCl；③不能用H2SO4，而用盐酸；④不能用氧化性酸，而用盐酸或稀H2SO4。
3．[解答]A
[点拨]B中50mL 12mol/L的浓HCl最多能生成Cl20.15mol，由于此反应需加热，而浓HCl有挥发性，故B不正确；C中铜不能被浓H2SO4钝化；D中CO2不能使CaCl2出现沉淀，而需在碱性环境中。
4．[解答]B
[点拨]使溶液的pH减小，即使C(H+)增大，分别写出H2S与四种物质反应的化学方程式，由产物即可判断出答案。
5．[解答]A、D
[点拨]设100g98%浓H2SO4，那有，则其物质的量之比为n(H2SO4):n(H2O)=1:，故A正确，B、C不正确。D项略作变形：SO2·H2O→SO3·H2O·H2O→H2SO4·H2O，故正确。
6．[解答]C
[点拨]Ca(HCO3)2溶液中加入等物质的量的NaOH溶液，其离子方程式为Ca2++HCO3-+OH-==CaCO3↓+H2O；Na2CO3溶液与等物质的量乙酸反应离子方程式为：CO32-+HAc=HCO3-+Ac-。
7．[解答]SO2+CaO==CaSO3
2CaSO3+O2==2CaSO4
[点拨]注意考虑亚硫酸盐的还原性。
8．[解答]
（1）A：NH4HSO3或(NH4)2SO3 B：NH4HSO4或(NH4)2SO4
C：SO2 D：NH3 E：K2SO3 F：K2SO4
（2）SO32-+Br2+H2O==SO42-+2Br-+2H+
（3）通过焰色反应鉴定K+（隔钴玻璃火焰呈浅紫色）；取少量F的溶液加入氯化钡和盐酸的溶液，若产生白色沉淀，证明SO42-的存在。
[点拨]这个图示看起来复杂，实际上若能迅速找到突破点，问题并不难解。A溶液既能与浓硫酸反应，又能与氢氧化钾反应，说明它的阴离子和阳离子为含有弱电解质的离子或能被氧化的离子。反应中都有气体产生，说明阴、阳离子都具挥发性。无色气体C与氨水反应，D又与C的溶液反应，可见D为NH3，C为CO32-、HCO3-或SO32-、HSO3-等。E与溴水反应，所以排除CO32-，E是K2SO3，F即为K2SO4。这样其它问题均可得出答案。
9．[解答]0.98t
[点拨]由制硫酸的几步反应得出如下关系式：
FeS2 ～ 2H2SO4
120 98×2
x=0.98t
C．研究性习题
解析：本题较好地体现了《考试说明》的要求，侧重考查学生的综合应用能力，设计颇具特色。本题的三大特色是：计算与推断相结合；数学和化学的综合应用；化学知识与环保相互联系。因此，反映出了高考化学计算命题的发展趋势和特点。解题过程如下：
（1）由硫原子守恒可得关系式
SO2 ～ CaSO4·2H2O
22.4L 172g
1×104×103×0.2%L m(CaSO4·2H2O)×10-3
解之得m(CaSO4·2H 2O)=153.6kg
（2）要运用极端假设法进行推断，溶液中可能发生两个反应：
SO2+2NaOH==Na2SO3+H2O……①
SO2+NaOH==NaHSO3……②
假设按反应①进行，产物为Na2SO3，m(Na2SO3)=12.6假设按反应②进行，产物为NaHSO3，m(NaHSO3)=20.8g
由于20.8>16.7>12.6，所以溶质成分为Na2SO3和Na2HSO3的混合物。
设混合物中NaHSO3的物质的量为x，Na2SO3的物质的量为y
（3）可借用数轴进行分析讨论：
根据反应（1）和（2）可确定和两个界点。
反应 （1） （2） （3） （4）
产物 Na2SO3 Na2SO3NaHSO3 NaHSO3
的取值 ≤ <<1 >1
讨论结果为
x
n(NaHSO3)
x≤
0
【点此下载】