第一单元 走进化学工业
(时间:60分钟,满分:100分)
一、选择题(本题共8个小题,每小题6分,共48分。每小题只有一个正确选项)
1.在以下条件下,宜于建工厂的城市是( )
A.城市郊区有丰富的黄铁矿资源,但水源、能源稍显不充足
B.城市是一座风光秀丽、空气清新的旅游城市
C.城市有丰富的磷灰石,拟建一座大型的磷肥厂
D.城市需使用硫酸的工业不多,却有丰富的黄铁矿资源
解析:A项能源不足,B项旅游城市不宜建工厂,D项硫酸的运输成本较高,不宜建硫酸厂。
答案:C
2.为了降低硫氧化物造成的空气污染,可以在含硫的燃料中加入生石灰,这种方法称为“钙基固硫”,则燃料燃烧过程中的“固硫”反应为( )
①2CaO+2S2CaS+O2 ②S+O2SO2 ③CaO+SO2CaSO3 ④2CaSO3+O22CaSO4
A.①③ B.②③ C.③④ D.①④
解析:加入生石灰是为了把硫燃烧产生的二氧化硫吸收。产生亚硫酸钙,再氧化生成硫酸钙制成石膏,废物利用。
答案:C
3.下列化工生产体现绿色化学内涵的措施是( )
A.减少工业“三废”(废气、废水、废渣)的排放量
B.回收未反应的原料、副产物和非反应试剂
C.研究有关产品的回收和再生利用
D.对废弃物进行排放前的无害化处理
解析:因为绿色化学的含义就是开发新工艺,使得生产达到无毒、无害、零排放等,而A、B、D都是指在生产后再处理有毒、有害的物质,而不是从源头上杜绝污染源,所以选C。
答案:C
4.采用循环操作的是( )
①硫酸工业 ②合成氨工业 ③硝酸工业
A.只有① B.只有②
C.只有③ D.①②③
解析:硫酸工业中、合成氨工业中、硝酸工业中循环利用的分别是SO2和98%硫酸、N2和H2、NO和NO2。
答案:D
5.反应:NaCl+CO2+NH3+H2ONaHCO3↓+NH4Cl是“氨碱法”的重要反应,以下是对该反应涉及的有关知识的部分见解,其中不正确的是( )
A.该条件下NaHCO3的溶解度较小
B.NaHCO3不是纯碱
C.析出晶体后的溶液为NaHCO3的不饱和溶液
D.析出晶体后的溶液为NaHCO3的饱和溶液
解析:该条件下NaHCO3的溶解度不大,因此析出NaHCO3,析出后应为NaHCO3的饱和溶液。
答案:C
6.下列废物处理方法中正确的是( )
A.化学实验中产生的二氧化硫废气可用浓硫酸吸收
B.化学实验中产生的二氧化氮废气可用水直接吸收
C.用黄铁矿作原料生产硫酸的过程中产生的废渣可用于提取燃料
D.用黄铁矿作原料生产硫酸的过程中产生的废气可用于提取漂白剂
解析:二氧化硫在浓硫酸中的溶解度非常小。二氧化氮与水反应:3NO2+H2O2NHO3+NO,还会放出有毒气体NO。黄铁矿本来就是无机矿物质,经过高温煅烧后,废渣的主要成分是氧化铁、二氧化硅、氧化铝等,从中提取燃料是不现实的。硫酸生产的废气中含有少量二氧化硫气体,二氧化硫可用作漂白剂。
答案:D
7.据报道,在300 ℃、70 MPa下由二氧化碳和氢气合成乙醇已成为现实。
2CO2(g)+6H2(g)CH3CH2OH(g)+3H2O(g)
下列叙述错误的是( )
A.使用Cu-Zn-Fe催化剂可大大提高生产效率
B.反应需在300 ℃进行,可推测该反应是吸热反应
C.充入大量CO2气体可提高H2的转化率
D.从平衡混合气体中分离出CH3CH2OH和H2O可提高CO2和H2的利用率
解析:反应是放热反应还是吸热反应,与反应条件无关。
答案:B
8.我国化工专家侯德榜根据NaHCO3溶解度比NaCl、Na2CO3、NH4HCO3、NH4Cl都小的性质,运用CO2+NH3+H2O+NaClNaHCO3↓+NH4Cl的反应原理制备纯碱。下面是在实验室进行模拟实验的生产流程示意图:
气体A的饱和溶液A和食盐的饱和溶液悬浊液晶体纯碱
则下列叙述错误的是( )
A.A气体是NH3,B气体是CO2
B.第Ⅲ步得到的晶体是发酵粉的主要成分
C.第Ⅲ步操作用到的主要玻璃仪器是烧杯、漏斗、玻璃棒
D.第Ⅳ步操作的主要过程有溶解、蒸发、结晶
解析:侯氏制碱法是中学阶段常研究的四大工业生产知识之一,主要应注重对其反应原理的理解。它是先制得氨化的饱和食盐水,再往其中通入CO2(即是往饱和食盐水中依次通入足量的NH3、CO2,不能依次通入CO2、NH3,因为NH3在水中的溶解度远远大于CO2,先将溶液氨化后,吸收CO2的效果更好),第Ⅱ步即得到NaHCO3悬浊液,第Ⅳ步应将NaHCO3加热分解,以得到Na2CO3。
答案:D
二、非选择题(本题共4个小题,共52分)
9.(10分)在硫酸工业中,通过下列反应使SO2氧化成SO3:
2SO2(g)+O2(g)2SO3(g) ΔH=-213.8 kJ·mol-1
(1)在生产中,常用过量空气是为了 。
(2)加热到400~500 ℃可以 。
(3)常用浓硫酸而不用水吸收SO3,是由于 。
(4)尾气中SO2必须回收是为了 。
答案:(1)增大O2的浓度,使成本较高的SO2充分利用
(2)提高反应速率,缩短反应达到平衡所需时间,同时此温度下催化剂活性最好
(3)用水吸收会形成酸雾,吸收速率慢
(4)减少对环境的污染
10.(14分)形成酸雨的原理之一可简示如下:
含硫燃气AB硫酸。
回答下列问题:
(1)A物质的化学式 ,B物质的化学式 。
(2)三个反应中不属于氧化还原反应的是 (填序号)。
(3)SO2中硫元素显+4价,它可能降低到0价,利用这一性质可在工厂的烟道气中通入合适的 (填“氧化剂”或“还原剂”)除去SO2,达到减小污染的目的。
(4)从环境保护的角度认为:雨水的pH<5.6时,就判断为酸雨,已知pH=-lg c(H+),经测定某次雨水中只含硫酸,且浓度为5×10-5 mol·L-1,这次降雨 (填“是”或“不是”)酸雨。
(5)火力发电厂燃烧的煤中含有大量的硫,其排出的废气中往往含有SO2、O2、N2、CO2等气体。为了除去有害的SO2气体,在英国已进行的一个研究结果表明:高烟囱可以有效降低地表SO2浓度。在20世纪60年代到70年代的10年间,由发电厂排放的SO2增加了35%。但由于建造高烟囱的结果,地面浓度降低了30%之多。
①你认为减少酸雨产生的途径可采取的措施是 。
A.少用煤作燃料
B.把工厂烟囱造高
C.燃料脱硫
D.把工厂迁移到农村
E.开发新能源
②请从全球环境保护的角度,分析这种建造高烟囱的方法是否可取, ,理由是 。
答案:(1)SO2 SO3 (2)③ (3)还原剂 (4)是 (5)①A、C、E ②不可取 高烟囱并没有降低大气中的SO2的含量,SO2随着雨水仍会降落地面
11.(14分)工业上可用食盐和石灰石为主要原料,经不同的方法生产纯碱。请回答下列问题:
(1)路布兰法是以食盐、石灰石、浓硫酸、焦炭为原料,在高温下进行煅烧,再浸取、结晶而制得纯碱。
①食盐和浓硫酸反应的化学方程式为 ;
②硫酸钠和焦炭、石灰石反应的化学方程式为 (已知产物之一为CaS);
(2)氨碱法的工艺如下图所示,得到的碳酸氢钠经煅烧生成纯碱。
氨碱法示意图
①图中的中间产物C是 ,D是 (写化学式);
②装置乙中发生反应的化学方程式为 ;
(3)联合制碱法是对氨碱法的改进,其优点是 ;
(4)有人认为碳酸氢钾与碳酸氢钠的化学性质相似,故也可用氨碱法以氯化钾和石灰石等为原料制碳酸钾。请结合下图的溶解度(S)随温度变化曲线,分析说明是否可行 。
解析:(1)①食盐和浓硫酸反应可制取挥发性HCl:NaCl+H2SO4(浓)NaHSO4+HCl↑、NaCl+NaHSO4Na2SO4+HCl↑或2NaCl+H2SO4(浓)Na2SO4+2HCl↑。②Na2SO4、CaCO3和C在高温下反应,其中一种产物为CaS,说明该反应为氧化还原反应,反应的产物中应有CO气体:
Na2SO4+CaCO3+4CCaS+Na2CO3+4CO↑。
(2)由工艺流程图可知,NH4Cl应与Ca(OH)2反应生成CaCl2并产生NH3,NH3通入NaCl溶液中,D为NH3。乙中发生反应为NH3+CO2+NaCl+H2ONaHCO3↓+NH4Cl。
答案:(1)①NaCl+H2SO4(浓)NaHSO4+HCl↑、NaCl+NaHSO4Na2SO4+HCl↑(或2NaCl+H2SO4(浓)Na2SO4+2HCl↑)
②Na2SO4+CaCO3+4CCaS+Na2CO3+4CO↑
(2)①Ca(OH)2 NH3
②NH3+CO2+NaCl+H2ONaHCO3↓+NH4Cl
(3)联合制碱法保留了氨碱法的优点,消除了它的缺点,使食盐的利用率提高到96%;NH4Cl可作氮肥;可与合成氨厂联合,使合成氨的原料气CO转化成CO2,免除了CaCO3制CO2这一工序
(4)不可行,由溶解度(S)随温度变化曲线可知,NaHCO3的溶解度较小且受温度的影响不大;KHCO3的溶解度较大且受温度的影响较大,并且KHCO3的溶解度与NH4Cl相差不大,故不能用氨碱法制碳酸钾
12.(14分)火山喷发所产生的硫黄可用于生产重要的化工原料硫酸。某企业用下图所示的工艺流程生产硫酸:
请回答下列问题:
(1)为充分利用反应放出的热量,接触室中应安装 (填设备名称)。吸收塔中填充有许多瓷管,其作用是 。
(2)为使硫黄充分燃烧,经流量计1通入燃烧室的氧气过量50%。为提高SO2转化率,经流量计2的氧气量为接触室中二氧化硫完全氧化时理论需氧量的2.5倍,则生产过程中流经流量计1和流量计2的空气体积比应为 。假设接触室中SO2的转化率为95%,b管排出的尾气中二氧化硫的体积分数为 (空气中氧气的体积分数按20%计)。该尾气的处理方法是 。
(3)与以黄铁矿为原料的生产工艺相比,该工艺的特点是 (可多选)。
A.耗氧量减少
B.二氧化硫的转化率提高
C.产生的废渣减少
D.不需要使用催化剂
(4)矿物燃料的燃烧是产生大气中SO2的主要原因之一。在燃煤中加入适量的石灰石,可有效减少煤燃烧时SO2的排放,请写出此脱硫过程中反应的化学方程式 。
解析:(1)反应设备中应安装热交换器,用来移去反应中放出的热量,使反应后的气体降温并预热未反应的气体。塔内装有瓷管,从塔的下部通入的三氧化硫与塔上淋洒下来的浓硫酸在瓷管表面接触而被吸收。
(2)流量计1通入氧气的作用是与硫黄发生反应生成SO2,流量计2通入氧气的作用是与SO2反应生成SO3。设有1 mol的硫黄,则在燃烧室中消耗氧气1 mol,生成1 mol SO2,实际通入氧气为1.5 mol,则空气为7.5 mol;在接触室中1 mol SO2理论消耗0.5 mol O2,则需通入接触室中的O2为1.25 mol,空气为6.25 mol,故流量计1与流量计2中空气的体积比为1.5∶1.25=6∶5=1.2。SO2的转化率为95%,消耗0.475 mol的O2,剩余0.05 mol SO2,则SO2的体积分数为:[0.05÷(7.5+6.25-1-0.475+0.05)]×100%≈0.4%=0.004。用氨水吸收尾气中低浓度的SO2生成亚硫酸氢铵,最终用作化肥。
(3)两种方法的不同在于第一步反应:4FeS2+11O22Fe2O3+8SO2与S+O2SO2的不同,由化学方程式可看出生成等量的SO2用黄铁矿的反应耗氧量增多,产生的废物也多。
(4)SO2可用石灰石除去,反应为2CaCO3+2SO2+O22CaSO4+2CO2(或2SO2+2CaO+O22CaSO4)。
答案:(1)热交换器 增大SO3与浓硫酸的接触面,有利于SO3的吸收
(2)1.2 0.004 用氨水吸收
(3)AC
(4)CaCO3CaO+CO2↑、2SO2+2CaO+O22CaSO4(或2SO2+2CaCO3+O22CaSO4+2CO2)合成氨的反应原理
1.将空气中氮气转化为氮的化合物的过程称为固氮,下图中能实现人工固氮的是( )
解析:A错,因为闪电作用下的固氮是自然固氮。B错,因为与固氮风马牛不相及。C错,因为它属于自然固氮。D对,因为N2+3H22NH3只能靠人工完成。
答案:D
2.可逆反应X(g)+2Y(g)2Z(g)(正反应吸热)。为了有利于Z的生成,应采用的反应条件是( )
A.高温高压 B.高温低压
C.低温高压 D.低温低压
解析:该反应的特点是:正反应是一个气体体积缩小的吸热反应。根据化学反应速率要快的原理:需要升高温度、增大压强、使用正催化剂;根据平衡移动原理,也是升高温度、增大压强,才有利于Z的生成。
答案:A
3.工业合成氨的反应是在400~500 ℃左右进行,主要原因是( )
A.400~500 ℃时反应速率最快
B.400~500 ℃时的平衡浓度最大
C.400~500 ℃时的转化率最高
D.400~500 ℃时催化剂能发挥最大效力
解析:控制400~500 ℃左右,是因为催化剂在此温度下活性最大,D正确。
答案:D
4.在合成氨时,可以提高H2转化率的措施是( )
A.延长反应时间
B.充入过量H2
C.充入过量N2
D.升高温度
解析:延长时间平衡不移动,H2转化率不变;充入H2,H2转化率降低,N2转化率升高;合成氨正反应为放热反应,升温,平衡向左移动,H2转化率降低;充入N2平衡右移,H2转化率升高。
答案:C
5.氮气与其他单质化合,一般需高温,有时还需高压等条件,但金属锂在常温、常压下就能与氮气化合生成氮化锂。这是因为( )
①此反应可能是吸热反应 ②此反应可能是放热反应 ③此反应可能是氮分子不必先分解为原子 ④此反应发生前可能氮分子已先分解成原子
A.①② B.②④
C.②③ D.①④
解析:氮分子是由两个氮原子通过三键结合起来的,结构很稳定,如果发生反应时分子分解成原子会消耗很多能量,此时必须在高温下进行。如果锂和氮气根据以上原理反应,同样必须在高温下进行,而题中明确指出金属锂在常温、常压下就能与氮气反应。因此锂和氮气反应时可能没有破坏氮分子(变成原子),且反应放热,可提供反应所需能量。
答案:C
6.某工业生产中发生反应:2A(g)+B(g)2M(g) ΔH<0。下列有关该工业生产的说法正确的是( )
A.工业上合成M时,一定采用高压条件,因为高压有利于M的生成
B.若物质B价廉易得,工业上一般采用加入过量的B,以提高A和B的转化率
C.工业上一般采用较高温度合成M,因温度越高,反应物的转化率越高
D.工业生产中常采用催化剂,因为生产中使用催化剂可提高M的日产量
解析:高压有利于该反应的进行,但增大压强对设备的要求大,成本高,若反应在常压条件下转化率已很高就没必要采用高压,A项错误;增加B的量,可提高A的转化率,但B的转化率不会增大,B项错误;升高温度,平衡逆向移动,反应物的转化率降低,C项错误;催化剂能提高化学反应速率,D项正确。
答案:D
7.有关合成氨工业说法中正确的是( )
A.从合成塔出来的混合气体,其中NH3只占15%,所以生产氨的工厂的效率都很低
B.由于氨易液化,N2、H2是循环使用的,总体来说氨的产率较高
C.合成氨反应温度控制在400~500 ℃,目的是使化学平衡向正反应方向移动
D.合成氨采用的压强是10~30 MPa,因为该压强下铁触媒的活性最大
解析:由于采用循环操作,故氨的产率较高;控制温度在400~500 ℃是综合考虑反应速率、平衡移动和催化剂的活性温度;采用压强10~30 MPa目的是获得较快的速率、较高的产率以及考虑动力、设备等因素。
答案:B
8.在合成氨工业中,采用下列哪些措施可以提高原料气的转化率( )
①使用催化剂 ②采用400~500 ℃温度 ③采用1×107~3×107 Pa的压强 ④不断将氨分离出来
A.①③ B.②③
C.③④ D.①④
解析:根据合成氨反应的特点,要提高原料的转化率,应尽量使化学平衡向生成NH3的方向移动,应为高压、降低温度并减小NH3的浓度,故③④合理。
答案:C
9.对于可逆反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g)(正反应为放热反应),下列说法中正确的是( )
A.体积一定时,达到平衡后加入N2,当重新达到平衡时,NH3的浓度比原平衡的大,H2的浓度比原平衡的小
B.达到平衡后,升高温度,既加快了正、逆反应速率,又提高了NH3的产率
C.达到平衡后,缩小容器体积,既有利于加快正、逆反应速率,又有利于提高H2的转化率
D.加入催化剂可以缩短达到平衡的时间,是因为正反应速率增大了,而逆反应速率减小了
解析:达到平衡后,加入N2,平衡将向正反应方向移动,NH3的浓度会增大,而H2的浓度会减小;达到平衡后,升高温度,正、逆反应速率都增大,但平衡向逆反应方向移动,不利于NH3的生成;达到平衡后,缩小容器体积即增大压强,正、逆反应速率都增大,平衡向正反应方向移动,有利于提高H2的转化率;加入催化剂,能同等程度地增大正、逆反应速率,缩短反应达到平衡的时间。
答案:AC
10.合成氨的温度和压强通常控制在约500 ℃以及1×107 Pa~3×107 Pa的范围,且进入合成塔的N2和H2的体积比为1∶3。经科学实验测定,在相应条件下N2和H2反应所得氨的平衡浓度(体积分数)如下表所示:
压强 1×107 Pa 3×107 Pa
氨的体积分数 19.1% 42.2%
而实际从合成塔出来的混合气体中含氨约为15%,这表明( )
A.表中所测数据有明显的误差
B.生产条件控制不当
C.氨的分解速率大于预测值
D.合成塔中的反应并未达到平衡
解析:含氨约为15%小于19.1%,因此N2、H2的转化率仍很低,反应正在向着生成氨的方向进行,表明合成塔中的反应并未达到平衡。
答案:D
11.已知:N2(g)+3H2(g)2NH3(g) ΔH<0,2SO2(g)+O2(g)2SO3(g) ΔH<0,回答下列问题:
(1)从影响速率和平衡的因素分析,要有利于NH3和SO3的生成,理论上应采取的措施是 。实际生产中采取的措施分别是 。
(2)在实际生产的合成氨过程中,要分离出氨气,目的是 ;而合成SO3过程中,不需要分离出SO3,原因是 。
解析:工业上合成SO3与合成氨的最大不同之处是该反应是在常压下进行的,原因是在常压下该反应向生成SO3的方向进行程度已经很大,采用高压虽能使平衡向生成SO3方向移动,但产生高压既需要动力又对反应容器耐压性有较高要求,综合生产成本和经济效益两方面因素,实际生产时,在常压下进行最合理。
答案:(1)高温、高压、催化剂 合成氨:适当温度、高压、催化剂 合成SO3:适当温度、常压、催化剂
(2)减少生成物浓度,使平衡向生成NH3方向移动 该反应向生成SO3的方向进行程度大,达到平衡后SO2含量较少,故不需要分离SO3
12.科学家一直致力于研究常温、常压下“人工固氮”的新方法。曾有实验报道:在常温、常压、光照条件下,N2在催化剂(掺有少量Fe2O3的TiO2)表面与水发生反应,生成的主要产物为NH3。进一步研究NH3生成量与温度的关系,部分实验数据见下表(光照、N2压力1.0×105 Pa、反应时间3 h):
T/K 303 313 323 353
NH3生成量/(×10-6 mol) 4.8 5.9 6.0 2.0
相应的热化学方程式如下:
N2(g)+3H2O(l)2NH3(g)+O2(g)
ΔH=+765.2 kJ·mol-1
回答下列问题:
(1)与目前广泛使用的工业合成氨方法相比,该方法中固氮反应速率慢。请提出可提高其反应速率且增大NH3生成量的建议: 。
(2)工业合成氨的反应为N2(g)+3H2(g)2NH3(g)。设在容积为2.0 L的密闭容器中充入0.60 mol N2(g)和1.60 mol H2(g),反应在一定条件下达到平衡时,NH3的物质的量分数(NH3的物质的量与反应体系中总的物质的量之比)为。计算:
①该条件下N2的平衡转化率;
②该条件下反应2NH3(g)N2(g)+3H2(g)的平衡常数。
解析:(1)该反应正反应是吸热反应,升高温度,使化学平衡向正反应方向移动,从而增大NH3生成量,升高温度也能提高反应速率;增大反应物N2的浓度,能加快反应速率,并使化学平衡向右移动;不断移出生成物,使平衡向右移动,增大NH3生成量。
(2)由三段式法计算可知,起始时:c(N2)=0.3 mol·L-1,平衡时:c(N2)=0.1 mol·L-1;c(H2)=0.2 mol·L-1;c(NH3)=0.4 mol·L-1。
①所以N2的平衡转化率=[(0.6-0.2)mol÷0.6 mol]×100%≈66.7%;
②反应2NH3(g)N2(g)+3H2(g)的平衡常数K==0.005。
答案:(1)升高温度,增大反应物N2的浓度,不断移出生成物
(2)①该条件下N2的平衡转化率:66.7%;
②该条件下反应2NH3(g)N2(g)+3H2(g)的平衡常数为0.005。合成氨的基本生产过程和合成氨工业的发展
1.合成氨所需的原料是( )
①水 ②空气 ③焦炭 ④铁触媒
A.①② B.②③
C.①②③ D.①②③④
解析:铁触媒是合成氨的催化剂,不属于原料。
答案:C
2.为了进一步提高合成氨的生产效率,科研中具有开发价值的是( )
A.研制高温下活性较大的催化剂
B.寻求NH3的新来源
C.研制低温下活性较大的催化剂
D.研制耐高温高压的新型材料建造合成塔
解析:合成氨的反应是放热反应,降低温度有利于提高合成氨的生产效率。
答案:C
3.实验室合成氨装置如下图所示,则以下说法中错误的是( )
A.装置甲的作用之一是干燥
B.装置甲的作用是化合
C.乙处导出的气体是N2、H2、NH3
D.检验产物可用湿润的红色石蕊试纸或浓盐酸等
解析:装置甲的作用有三点:①干燥气体;②观察气体逸出速率便于控制反应物间的比例;③使气体混合均匀。
答案:B
4.工业上用氢气和氮气合成氨,氢气的主要来源是( )
A.水和燃料 B.电解水
C.锌和稀硫酸 D.液化空气
解析:电解水需消耗大量的电能;Zn和H2SO4制H2造价太高;液化空气得不到H2。
答案:A
5.在N2+3H22NH3的反应中,经过一段时间后,NH3的浓度增加了0.6 mol·L-1。在此时间内用H2表示的平均速率为0.45 mol·(L·s)-1,则这段时间是( )
A.1 s B.2 s
C.0.44 s D.1.33 s
解析:由反应方程式知,当NH3的浓度增加了0.6 mol·L-1时,H2的浓度减少了0.9 mol·L-1,再运用速率公式可得时间。
答案:B
6.工业合成氨时将N2和H2按体积比1∶3通入合成塔中,在不同条件下达到平衡时,混合物中NH3的含量(体积分数)如下表:
压强/MPaφ(NH3)/% 温度/℃ 0.1 10 20 30 60 100
200 15.3 81.5 86.4 89.9 95.4 98.8
300 2.2 52.0 64.2 71.0 84.2 92.6
400 0.4 25.1 38.2 47.0 65.2 79.8
500 0.1 10.6 19.1 26.4 42.2 57.5
600 0.05 4.5 9.1 13.8 23.1 31.4
试分析上表所提供的数据,判断下列说法一定正确的是( )
A.无论其他条件如何改变,只要增大压强就能提高NH3在平衡混合物中的含量
B.无论其他条件如何改变,只要升高温度就有利于提高N2的转化率
C.无论其他条件如何改变,只要降低温度就能提高NH3在平衡混合物中的含量
D.由上表数据可知,NH3的合成是一个放热的、气体总体积缩小的可逆反应
解析:由题目中所给数据可知,若温度最低,压强最大,则转化率最高。当温度不变时,压强越大,氨气的含量越高,可知此反应气体总体积缩小;当压强相等时,温度越低,氨气的含量越高,所以确定正反应为放热反应。
答案:D
7.反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g) ΔH<0,在某一时间段中反应速率与反应过程的曲线关系如下图,则氨的百分含量最高的一段时间是( )
A.t0~t1 B.t2~t3
C.t3~t4 D.t5~t6
解析:t1时刻,改变条件,平衡逆向移动,t3改变条件,平衡不移动,t4改变条件,平衡逆向移动,所以t0~t1时刻NH3的百分含量最高。
答案:A
8.在一定条件下,进入氨合成塔的混合气体中氮气的体积占22%,氢气的体积占78%,经合成反应达到平衡后,在相同温度和压强下,气体体积缩小至原体积的95%,氮气的转化率接近于( )
A.11.5% B.10.5%
C.9.75% D.13.2%
解析:设混合气体为100 L,反应掉N2的体积为x。
N2 +3H2 2NH3
开始(L) 22 78 0
平衡(L) 22-x 78-3x 2x
由题意:=95%
解得x=2.5 L
α(N2)=×100%=11.4%。
答案:A
9.工业合成氨是在一定条件下进行的可逆反应:
N2(g)+3H2(g)2NH3(g)。其部分工艺流程如下:
请回答下列问题:
(1)第②步除需要催化剂这个条件外,还需要的条件是
。
(2)第①步操作中的原料气的“净化”目的是 ,
第③步操作中的目的是 。
(3)工业合成氨反应后可以通过降低混合气体的温度而使氨气分离出来。这种分离物质的方法的原理类似于下列哪种方法 (填编号)。
a.过滤 b.蒸馏
c.分液 d.萃取
你作出这个判断的理由是 。
(4)可以用氯气来检验输送氨气的管道是否漏气,如果漏气则会有白烟生成。该反应的化学方程式为
。
解析:(2)原料气中往往含有使催化剂中毒的物质,所以在进行原料气的反应前,需要除掉其中的杂质;工业合成氨反应后的混合气体中既有氨气,也有未反应的氢气、氮气,所以为了提高原料气的利用率,将未反应的原料气进行重新利用,这样可以提高经济效益。
(3)降低温度,氨变为液态,从而进行分离,所以与工业上利用的蒸馏类似,都是通过改变温度,使物质的状态发生变化而分离。
(4)2NH3+3Cl2N2+6HCl,生成的HCl又与NH3反应生成NH4Cl小颗粒——白烟产生。
答案:(1)高温、高压
(2)防止催化剂中毒 提高原料利用率(或提高经济效益等)
(3)b 通过温度的改变而改变物质的状态,达到分离的目的
(4)8NH3+3Cl26NH4Cl+N2
10.利用天然气合成氨的工艺流程示意图如下:
依据上述流程,完成下列填空:
(1)天然气脱硫时的化学方程式是 。
(2)n mol CH4经一次转化后产生CO 0.9n mol,产生H2 mol。(用含n的代数式表示)
(3)K2CO3(aq)和CO2反应在加压下进行,加压的理论依据是 。(填编号)
A.相似相溶原理
B.勒夏特列原理
C.酸碱中和原理
(4)由KHCO3分解得到的CO2可以用于 (写出CO2的一种重要用途)。
(5)整个流程有三处循环,一是Fe(OH)3循环,二是K2CO3(aq)循环,请在上述流程图中标出第三处循环(循环方向、循环物质)。
解析:(1)流程图中已给出反应物是H2S和Fe(OH)3,生成物是Fe2S3和H2O,CH4没有参与反应,写出化学方程式再配平即可。
(2)写出此反应的化学方程式:CH4+H2OCO+3H2,就很容易地看出产生H2应为3×0.9n=2.7n mol。
(3)CO2为气体,加压有利于平衡右移,利用的是勒夏特列原理。
(4)此题考查了考生对CO2用途的记忆,写任一种用途即可。
(5)合成氨反应是一可逆反应,H2和N2的转化率低,必须循环利用。
答案:(1)3H2S+2Fe(OH)3Fe2S3+6H2O (2)2.7n (3)B (4)生产纯碱(或作制冷剂等,其他合理答案也可以)
(5)
11.工业上合成氨的原料之一——氢气,有一种来源是石油气,如丙烷。
(1)有人设计了以下反应途径(化学方程式未配平),假设反应都能进行,你认为最合理的是( )
A.C3H8C+H2
B.C3H8C3H6+H2
C.C3H8+H2OCO+H2
(2)按以上最合理的反应途径,理论上用1 mol丙烷最多可制得氨气( )
A.4 mol B.6.7 mol
C.10 mol D.2.7 mol
(3)该合理的反应途径最显著的优点是( )
A.简单易行
B.制得的H2纯度高
C.制得的H2产量高
D.可同时获得大量热量
解析:(1)要分析得出哪种反应方式生成的H2最多,配平反应的化学方程式如下:
A.C3H83C+4H2。
B.C3H8C3H6+H2。
C.C3H8+3H2O3CO+7H2,生成的CO又能和H2O反应:CO+H2OCO2+H2。
当C3H8均为1 mol时,C选项的途径中产生H2最多。
(2)C3H8+3H2O3CO+7H2
3CO+3H2O3CO2+3H2
N2+3H22NH3
由以上反应可得C3H8~10H2,3H2~2NH3。
根据相关量,进行计算:
C3H8~10H2~×2NH3
1 mol mol
所以1 mol C3H8最多可制得6.7 mol氨,应选B。
答案:(1)C (2)B (3)C纯碱的生产
1.与氨碱法比较,下列关于联合制碱法优点的判断中不正确的是( )
A.提高了原料利用率 B.降低了生产成本
C.减少了环境污染 D.减轻了对设备的腐蚀
解析:侯氏制碱法是将合成氨工业和制碱工业联合起来,保留了氨碱法的优点,消除了它的缺点,使食盐的利用率提高到了96%以上;NH4Cl可作氮肥,避免了生成大量无用的CaCl2;同时可与合成氨厂联合,使合成氨的原料气CO转化成CO2,免除了CaCO3制CO2这一工序,降低了生产成本,减少了对环境的污染。
答案:D
2.下列说法中错误的是( )
A.制纯碱的原料只能是无机物
B.制纯碱的原料可能包含有机物
C.NR3·HCl+NH3NR3+NH4Cl是氧化还原反应
D.NR3·HCl+NH3NR3+NH4Cl是非氧化还原反应
解析:在侯氏制碱法制纯碱的生产中,可以用甲烷等烃跟水反应制氢气。用有机胺制碱法制纯碱的生产中,所用的有机胺就属于有机物。
答案:AC
3.一定温度下,向饱和碳酸钠溶液中通入足量的CO2气体,忽略溶液体积的变化,下列有关说法中正确的是( )
A.c(Na+)不变
B.溶液的pH变大
C.溶液质量增大
D.溶液中溶质的质量分数变小
解析:向饱和Na2CO3溶液中通入足量的CO2气体时,发生反应Na2CO3+CO2+H2O2NaHCO3↓,该反应为化合反应,生成溶质NaHCO3的质量大于原溶质Na2CO3的质量,因为同一温度下,NaHCO3的溶解度小于Na2CO3的溶解度,且反应过程中溶剂的质量也减少,因此析出NaHCO3晶体,c(Na+)减小,溶液的质量减小,所以A、C选项错误;溶液中的溶质质量分数减小,所以D项正确;HC的水解程度小于C的水解程度,所以溶液的pH减小,B项错误。
答案:D
4.下列关于工业生产说法错误的是( )
A.在侯氏制碱工业中,向饱和氯化钠溶液中先通氨气,后通二氧化碳
B.在硫酸工业、合成氨工业、硝酸工业中,皆采用循环操作提高原料利用率
C.在侯氏制碱工业中,二氧化碳可以循环利用
D.硫酸工业中,用水来吸收三氧化硫
解析:硫酸工业中,是用98%的硫酸来吸收三氧化硫,如果用水来吸收,则会产生酸雾,影响产率,D选项错误。
答案:D
5.下列叙述中正确的是( )
A.向含有CaCO3沉淀的水中通入CO2至沉淀恰好溶解,再向溶液中加入NaHCO3饱和溶液,又有CaCO3沉淀生成
B.向Na2CO3溶液中逐滴加入等物质的量的稀盐酸,生成的CO2与原Na2CO3的物质的量之比为1∶2
C.等质量的NaHCO3和Na2CO3分别与足量的稀盐酸反应,在同温同压下,生成的CO2体积相同
D.向Na2CO3饱和溶液中通入足量CO2,有NaHCO3结晶析出
解析:选项A,Ca(HCO3)2和NaHCO3在水溶液中不发生反应;选项B,向Na2CO3溶液中滴加等物质的量的稀盐酸发生反应Na2CO3+HClNaHCO3+NaCl,理论上没有CO2生成;选项C,注意等质量NaHCO3和Na2CO3和足量的稀盐酸反应,NaHCO3的物质的量大,生成CO2多;选项D,NaHCO3的溶解度比Na2CO3的小,若Na2CO3全反应则生成NaHCO3的质量比Na2CO3的大,反应消耗水,则有大量晶体析出。
答案:D
6.工业上常用氨碱法制取碳酸钠(将氨和二氧化碳先后通入饱和食盐水而析出小苏打,再经过滤、煅烧而得到纯碱),但却不能用氨碱法制取碳酸钾,这是因为在溶液中( )
A.KHCO3溶解度较大
B.KHCO3溶解度较小
C.K2CO3溶解度较大
D.K2CO3溶解度较小
解析:氨碱法制取Na2CO3的原理是,在精制的食盐水中分别通入NH3、CO2,由于NaHCO3溶解度不大,当Na+、HC浓度较大时便析出NaHCO3晶体,将过滤得到的NaHCO3煅烧得Na2CO3,反应的化学方程式为:NH3+H2O+CO2N+HC,Na++HCNaHCO3↓,2NaHCO3Na2CO3+H2O↑+CO2↑。
由于KHCO3溶解度较大,无法从溶液中析出,故无法利用氨碱法制取K2CO3。
答案:A
7.纯碱和小苏打是厨房中两种常见的用品,它们都是白色固体,下列区分这两种物质的说法正确的是( )
A.分别用炒锅加热两种样品,全部分解挥发,没有残留物的是小苏打
B.用洁净铁丝蘸取两种样品在煤气火焰上灼烧,使火焰颜色发生明显变化的是小苏打
C.用两只小玻璃杯,分别加入少量的两种样品,再加入等量的食醋,产生气泡快的是小苏打
D.先将两样品配成溶液,分别加入石灰水,无白色沉淀生成的是小苏打
解析:2NaHCO3Na2CO3+CO2↑+H2O↑,剩余固体为Na2CO3,A错误;纯碱和小苏打均含有钠元素,焰色反应无法区分;NaHCO3与石灰水也能产生沉淀:Ca2++2OH-+2HCCaCO3↓+C+2H2O。
答案:C
8.下列关于NaHCO3的叙述,不正确的是( )
A.它是一种白色粉末,溶解度大于Na2CO3
B.加热至300 ℃左右,可完全分解,利用这种性质,可由NaHCO3制取纯碱
C.与Na2CO3相似,当质量相同,分别跟足量盐酸反应后,NaHCO3可得到较多的二氧化碳
D.晶体NaHCO3·10H2O在空气中会风化
解析:NaHCO3的溶解度小于Na2CO3的溶解度。
答案:AD
9.根据氨碱法的原理,首先配制氨化饱和食盐水,即向饱和食盐水中加入氨水(体积比1∶1)并充分搅拌;再将二氧化碳通入氨化饱和食盐水中,控制一定的温度,直至有碳酸氢钠析出。
请回答下列问题:
(1)用化学方程式分别表示出氨和二氧化碳在水中产生N、HC的原理 。
(2)向饱和食盐水中加入氨水和通入二氧化碳的先后顺序是先加氨水后通二氧化碳。是否可以先通二氧化碳后加氨水 为什么
。
(3)写出氨碱法生成碳酸氢钠的化学方程式: 。
解析:在通常状况下,氨在水中的溶解度近700体积,二氧化碳在水中的溶解度仅约1体积。
答案:(1)NH3+H2ONH3·H2ON+OH-(或NH3+H2ON+OH-);
CO2+H2OH2CO3HC+H+(或CO2+H2OHC+H+)
(2)否。在常温下,氨在饱和食盐水中的溶解度很大,二氧化碳在饱和食盐水中的溶解度较小。若先通二氧化碳后加氨水,溶液里只能产生很小浓度的HC,不利于生成NaHCO3沉淀
(3)NaCl+NH4HCO3NaHCO3↓+NH4Cl
(或NaCl+NH3+CO2+H2ONaHCO3↓+NH4Cl)
10.纯碱在日常生活和工业生产中用途广泛,需求量很大,因此纯碱的制备一直是科学家研究的一个重要方面。18世纪欧洲有个路布兰制碱法,其主要反应原理是:
Na2SO4+2CNa2S+2CO2↑
Na2S+CaCO3CaS+Na2CO3
这种方法的最大缺点是:①此反应是高温固体反应,不能连续生产;②浪费原料,CO2不能回收利用;③污染环境,CaS没有任何用处,只能抛至野外。由于这些缺点的存在和后来化学工业的发展,路布兰法被索尔维法所代替。索尔维法的生产流程如下:
索尔维法能实现连续生产,但其食盐利用率只有70%,且所得副产品CaCl2没有用处,污染环境。
侯德榜经过几年的努力,做了500多次循环实验,终于设计出新的制碱工艺,于1943年11月在完成实验室规模的流程实验基础上,在工厂顺利试产,食盐的利用率达96%以上,得到了纯碱和氯化铵两种重要产品。氯化铵主要用作氮肥。侯德榜制碱法的原理是:
①在30~50 ℃的饱和食盐水中,先通入氨至饱和,再通入二氧化碳得到碳酸氢钠沉淀;
②过滤,将滤渣加热而得到产品;
③滤液中加入细食盐粉末,在5~10 ℃使NH4Cl沉淀,过滤,滤液为饱和食盐水。
据此回答下列问题:
(1)标出反应Na2SO4+2CNa2S+2CO2↑的电子转移方向和数目。
(2)写出索尔维制碱法的各步反应的化学方程式:
① ;
② ;
③ ;
④ 。
(3)写出侯德榜制碱法第①步反应的化学方程式:
。
(4)在索尔维制碱法中可循环利用的物质是
。
(5)在侯德榜制碱法中可循环利用的物质是
。
答案:(1)
(2)①NH3+H2O+CO2NH4HCO3
②NH4HCO3+NaClNaHCO3↓+NH4Cl
③2NH4Cl+Ca(OH)2CaCl2+2NH3↑+2H2O
④2NaHCO3Na2CO3+H2O↑+CO2↑
(3)NaCl+H2O+NH3+CO2NaHCO3↓+NH4Cl
(4)NH3和CO2
(5)CO2和饱和食盐水
11.我国化学家侯德榜,改革国外的纯碱生产工艺,生产流程可简要表示如下:
(1)上述生产纯碱的方法称 ,副产品的一种用途为 。
(2)沉淀池中发生反应的化学方程式是 。
(3)写出上述流程中X物质的化学式: 。
(4)使原料氯化钠的利用率从70%提高到90%以上,主要是设计了 (填上述流程中的编号)的循环,从沉淀池中取出沉淀的操作是
。
(5)为检验产品碳酸钠中是否含有氯化钠,可取少量试样溶于水后,再滴加 。
(6)向母液中通氨气,加入细小食盐颗粒,冷却析出副产品。通氨气的作用有 。
a.增大N的浓度,使NH4Cl更多地析出
b.使NaHCO3更多地析出
c.使NaHCO3转化为Na2CO3,提高析出的NH4Cl纯度
答案:(1)联合制碱法(或侯德榜制碱法) 用作肥料
(2)NH3+CO2+H2O+NaClNH4Cl+NaHCO3↓
(3)CO2
(4)Ⅰ 过滤
(5)稀硝酸和硝酸银溶液
(6)ac生产硫酸的基本流程
1.以下有关接触法制硫酸的论述错误的是( )
A.为提高反应速率和原料利用率,硫铁矿要在“沸腾”状态下燃烧
B.为防止催化剂中毒,气体在进接触室前要先净化
C.接触室中热交换器其主要作用是预热未反应的气体和冷却反应后的气体
D.吸收塔中SO3从下而上,水从上而喷下,剩余气体从上部出来放空
答案:D
2.下列说法中正确的是( )
A.合成硫酸的工业尾气可以直接排入大气
B.进入接触室的气体,必须先经净化、干燥
C.从沸腾炉中排出的炉渣可以作为肥料
D.在高温、高压下由SO2和O2合成SO3
解析:A项中尾气含有大量SO2、SO3有害气体,直接排入大气易形成酸雨,故错误;C项中炉渣可以作炼铁原料及制水泥、制砖原料,不能用作肥料,故错误;D项中SO2与O2反应的条件应该是高温、常压,故错误;B项中为了防止催化剂中毒,进入接触室的气体必须先经净化、干燥,故B正确。
答案:B
3.工业制H2SO4采用逆流的主要目的是( )
①矿石充分燃烧 ②接触室中预热反应气体和冷却生成气体 ③吸收SO3时形成酸雾少 ④提高原料的利用率和产品的产率
A.①② B.②④
C.③④ D.④
解析:由于2SO2+O22SO3 ΔH<0。其正反应为放热反应,逆流操作后,可使温度下降,提高SO2的转化率,同时预热反应物,提高催化剂的催化活性。
答案:B
4.接触法制硫酸的沸腾炉出来的炉气必须经过净化处理,其正确过程是( )
A.洗涤、干燥、除尘
B.干燥、除尘、洗涤
C.除尘、洗涤、干燥
D.除去硒和砷的化合物
解析:通入接触室的气体必须先净化,因为炉气中含二氧化硫、氧气、氮气、水蒸气以及砷、硒化合物、矿尘等。砷、硒化合物和矿尘会使催化剂中毒,水蒸气对生产设备有不良影响。因此炉气必须通过除尘、洗涤、干燥等净化处理。干燥在净化过程中一般放在最后,故C正确。
答案:C
5.在制硫酸的工业中有以下反应:2SO2(g)+O2(g)2SO3(g) ΔH<0,下列说法中错误的是( )
A.生产中通入过量的空气,可以提高二氧化硫的转化率
B.生产中选择400~500 ℃,不仅能加快反应速率,而且催化剂的活性好
C.根据实际情况在生产中选择常压,可以提高综合经济效益
D.在接触室被氧化生成的三氧化硫,进入吸收塔被水吸收制成硫酸
解析:用水吸收三氧化硫容易形成酸雾,应用98%的硫酸吸收三氧化硫。
答案:D
6.金属钾与金属钠的金属活动性相近,且钾比钠略强,当利用金属钾制金属钠时,发现钾与钠的共熔体难以分离,如调整温度到一定程度,则可用金属钠与氯化钾反应,制出金属钾,下面是四种物质的熔、沸点:
K Na KCl NaCl
熔点/℃ 63.65 97.8 770 801
沸点/℃ 774 882.9 1 500(升华) 1 413
根据平衡移动原理,可推知,用钠与氯化钾反应制金属钾的适宜温度是( )
A.97.8~770 ℃
B.770~774 ℃
C.850 ℃
D.1 413~1 500 ℃
解析:控制温度使K蒸馏出来而Na不蒸馏出来,所以温度应在774~882.9 ℃之间。
答案:C
7.用浓硫酸吸收SO3可得到H2SO4·1.5SO3,若用1 kg 98%的H2SO4充分吸收SO3后,再进行稀释,可得98%的H2SO4( )
A.2.78 kg B.2.6 kg
C.2.42 kg D.2.22 kg
解析:此题注意吸收剂为98%的硫酸而非纯硫酸,且水吸收SO3后产物还能吸收SO3,只有这样全面考虑,方可正确作答。如无B的干扰,可直接选大于2.5 kg的A项。此题可以硫守恒为依据推导,即m(98% H2SO4)=
,
解得m(98%H2SO4)≈2.78 kg。
答案:A
8.把1 g含脉石(SiO2)的黄铁矿样品在氧气流中充分灼烧,反应完全后得0.78 g残渣,则此黄铁矿的纯度是( )
A.33% B.66%
C.78% D.88%
解析:设矿石中含FeS2的质量为x,则
4FeS2+11O22Fe2O3+8SO2 Δm
4×120 160
x 1 g-0.78 g=0.22 g
x=0.66 g。
所以w(FeS2)=×100%=66%。
答案:B
9.有关二氧化硫的叙述正确的是( )
A.二氧化硫不能使溴水、高锰酸钾溶液迅速褪色
B.接触法制硫酸的沸腾炉排出的炉气中含SO2
C.实验室可用启普发生器制取二氧化硫
D.用石灰水很容易区分二氧化碳和二氧化硫
解析:SO2具有还原性,能使溴水、高锰酸钾溶液褪色,故A错。启普发生器的适用范围是块状固体与液体不加热制气,而制备SO2用的Na2SO3为粉末,故不能用启普发生器制取,故C错。SO2、CO2都能使石灰水变浑浊,故D错。沸腾炉中发生4FeS2+11O22Fe2O3+8SO2的反应,排出的炉气含SO2,故B正确。
答案:B
10.硫酸工业生产中,通过下列反应使SO2转化为SO3:2SO2+O22SO3 ΔH=-196 kJ·mol-1。已知常压下SO3的体积分数为91%,试回答下列问题:
(1)在生产中常用过量的空气是为了 。
(2)加热到450 ℃是由于: 。
(3)压强应采用 (填“加压”“常压”或“减压”),原因是 。
(4)尾气中的SO2常用氨水等碱溶液吸收,因为
。
解析:工业生产中常增加某一廉价反应物的浓度,以提高另一反应物的转化率。硫酸工业生产中通入过量空气同样是为了使平衡向正反应方向移动,提高SO2的转化率,使成本较高的SO2得到较充分地利用。
温度的选择不仅要从反应的程度考虑,更要考虑反应的速率和催化剂的活性。450 ℃时催化剂的活性较高,选择此温度可提高反应速率,缩短反应达到平衡所需的时间,提高单位时间的产量。
压强的选择主要考虑平衡的移动、设备及动力系统等方面的因素。虽然增大压强可提高该反应中SO2的转化率,但在常压下SO3的体积分数已达91%,而增大压强对设备、动力系统要求高。成本增大,不合算,故工业生产中采用常压。
答案:(1)使平衡向正反应方向移动,提高SO2的转化率,使成本较高的SO2得到较充分地利用
(2)450 ℃时,催化剂的活性较高,选择此温度可提高反应速率,缩短反应达到平衡所需的时间,提高单位时间的产量
(3)常压 常压下SO3的体积分数已达91%,而增大压强对设备、动力系统要求高,成本增大,综合经济效益降低
(4)NH3+H2O+SO2NH4HSO3,即氨水吸收SO2生成NH4HSO3,避免污染环境
11.下面的装置是仿照工业上制备硫酸的工艺流程设计出来的,用于探究工业上为何采用98.3%的硫酸吸收三氧化硫。
请回答下列问题:
(1)写出沸腾炉内煅烧黄铁矿的化学方程式: 。
(2)甲和乙相当于工业上制取硫酸装置中的 。
(3)写出在催化剂表面所发生反应的化学方程式: ,在实验过程中不能持续加热的理由是 。
(4)在乙反应器内要求氧气的量要比二氧化硫的量多一倍左右,你是如何控制和估计的 。
(5)若丁装置在反应过程中先出现气泡,不久就出现了雾,而丙装置一直都没有任何现象,产生这种现象的原因可能是 。
A.浓硫酸对三氧化硫的吸收效率远高于水,三氧化硫被浓硫酸充分吸收
B.三氧化硫的通气速率太快,三氧化硫未被水和浓硫酸充分吸收
C.丙中的导气管插得太深,导致两个吸收瓶内的气压差较大
D.丁中的导气管插得太浅,三氧化硫气体从水中逸出,与水蒸气化合形成酸雾
解析:装置甲有多个作用:一是通过观察气泡产生的速率调节通入二氧化硫、氧气的比例;二是使两种原料气体充分混合;三是起到干燥的作用。
答案:(1)4FeS2+11O22Fe2O3+8SO2
(2)接触室
(3)2SO2+O22SO3 防止温度过高,而降低SO2的转化率及催化剂活性
(4)可以通过调节气阀,控制气体流量,通过观察甲装置中气泡产生的速率进行估算
(5)AC
12.黄铁矿(主要成分为FeS2)是工业制取硫酸的重要原料,其煅烧产物为SO2和Fe3O4。
(1)将0.050 mol SO2(g)和0.030 mol O2(g)放入容积为1 L的密闭容器中,反应2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)在一定条件下达到平衡,测得c(SO3)=0.040 mol·L-1。计算该条件下反应的平衡常数K和SO2的平衡转化率(写出计算过程)。
(2)已知上述反应是放热反应,当该反应处于平衡状态时,在体积不变的条件下,下列措施中有利于提高SO2平衡转化率的有 (填字母)。
A.升高温度 B.降低温度
C.增大压强 D.减小压强
E.加入催化剂 F.移出氧气
(3)SO2尾气用饱和Na2SO3溶液吸收可得到重要化工原料,反应的化学方程式为 。
(4)将黄铁矿的煅烧产物Fe3O4溶于H2SO4后,加入铁粉,可制备FeSO4。酸溶过程中需保持溶液足够酸性,其原因是 。
解析:(2)欲提高SO2转化率,则平衡需正向移动,根据反应方程式知,降低温度、增大压强都能使平衡右移,B、C正确。(4)因Fe2+、Fe3+均能水解,为防止水解,故需加酸抑制;铁粉除了能将Fe3+还原为Fe2+外,还可防止Fe2+被氧化。
答案:(1)解:
2SO2(g) + O2(g) 2SO3(g)
0.050 0.030 0
0.050-0.040 0.030- 0.040
所以,K==1.6×103
α(SO2)=×100%=80%
(2)BC
(3)SO2+H2O+Na2SO32NaHSO3
(4)抑制Fe3+、Fe2+的水解,防止Fe2+被氧化成Fe3+硫酸工业中的三废处理及能量利用
1.接触法制硫酸的接触室里有一个热交换器,有关它的下列说法正确的是( )
A.其主要作用是给催化剂加热
B.其作用是把生成的热量传递给需要预热的混合气体,并将反应后生成的气体冷却
C.为了充分利用余热,使冷水经过热交换器,从而得到热水
D.进行热量传递时,冷、热气体流向相同
解析:接触室中的热交换器是在每两层催化剂的中间,因此起不到给催化剂加热的作用,热交换器管内和管外流动的均是气体,且采用的是逆流(即气体流向相反)形式。
答案:B
2.下列说法中,不正确的是( )
A.硫酸工业的尾气必须回收、净化处理,主要为了充分利用原料
B.所谓“酸雨”,主要含有硫的氧化物以及形成的硫酸及亚硫酸
C.大气中,大量的SO2来源于煤和石油的燃烧、金属矿石的冶炼
D.消除大气污染的主要方法之一是减少污染物的排放
解析:硫酸工业尾气中主要含SO2,如直接排入空气中,一是污染大气,二是浪费原料,所以尾气的回收、净化处理有两方面的原因,不单单是充分利用原料。
答案:A
3.你认为减少酸雨的形成可以采取的措施是( )
①少用煤作燃料 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.①③⑤
D.①③④⑤
解析:酸雨的形成主要是因为大量燃烧含硫的煤产生大量SO2排放到大气中造成的,所以①③⑤能减少酸雨的形成,而把烟囱造高对SO2的产生不影响。在酸化的土壤中加石灰是对酸雨造成的危害的处理,故②④不正确。
答案:C
4.工业制硫酸用硫黄作为原料产生的污染比用黄铁矿小,主要方面是( )
A.废气 B.废渣
C.废水 D.酸雨
解析:用黄铁矿制硫酸,废渣较多,而用硫黄作为原料,几乎没有废渣,但废气的量没有减少,也会产生废水。
答案:B
5.工业上制硫酸时,下列措施不合理的是( )
A.用98%的硫酸代替水吸收SO3
B.将尾气直接放空
C.将矿石粉碎成很细的颗粒
D.接触室内安装热交换器
解析:B项中尾气中含SO2对环境有污染,不能直接放空。C项正确,把矿石粉碎是为了增大矿石与O2的接触面积,增大反应速率。D项正确,接触室内安装热交换器,预热反应气体。
答案:B
6.“飘尘”是物质燃烧时产生的粒状漂浮物,颗粒很小(直径小于10-7),不易沉降(可飘浮数小时甚至数年),它与空气中的SO2、O2接触时,SO2会部分转化为SO3,使空气酸度增加,飘尘所起的主要作用是( )
A.氧化剂 B.还原剂
C.吸附剂 D.催化剂
解析:空气中SO2、O2接触时,SO2会部分转化为SO3,“飘尘”的作用是催化剂。
答案:D
7.接触法生产硫酸的过程中,对废气、废水、废渣、废热的处理正确的是( )
①尾气用氨水处理 ②污水用石灰乳处理 ③废渣用来造水泥、炼铁 ④设置废热锅炉产生蒸汽、供热或发电
A.①②
B.①③④
C.①②③
D.①②③④
解析:硫酸厂尾气中含有SO2,可用氨水吸收处理;硫酸厂废水中含有硫酸可用石灰乳中和;硫酸厂废渣中含有SiO2、Fe2O3等,可用于制造水泥、炼铁;由于硫酸生产过程中三个化学反应都是放热反应,可以充分利用这些反应放出的热能来降低生产成本。
答案:D
8.下列关于硫酸工业生产过程的叙述错误的是( )
A.在接触室中使用铁粉作催化剂
B.在接触室中运用热交换技术可充分利用能源
C.把硫铁矿磨成细粉末,可以提高原料的利用率
D.该反应采用450~500 ℃主要是因为该温度下催化剂活性好
解析:硫酸工业生产过程中,接触室中发生反应的化学方程式为2SO2+O22SO3,所用催化剂为V2O5。
答案:A
9.读某城市的城市布局示意图,回答有关问题:
①煤炭基地 ②大型硫酸厂 ③自来水厂 ④疗养院
⑤大型商场 ⑥食品厂 ⑦化工厂 ⑧造纸厂 ⑨污水处理厂 ⑩高等院校
(1)该城市布局是否合理 请分析原因。
(2)图中②处分布大型黄铁矿(主要成分是FeS2)。写出制取二氧化硫、三氧化硫的化学方程式。
(3)接触法制硫酸的尾气中还含有少量的二氧化硫,如果排入大气,就会造成环境污染。你认为该企业应该采用什么方法回收、利用尾气中的二氧化硫,写出有关反应的化学方程式。
(4)该市经济发达,每天有大量的汽车排放氮氧化合物、碳氢化合物,以及企业、家庭炉灶排放大量的二氧化硫、二氧化碳等,会导致市民心脏出现什么后果 该市应采取哪些措施防治大气污染
解析:(1)煤炭基地、大型硫酸厂、化工厂布局合理,理由是煤炭基地、大型硫酸厂离消费中心近而化工厂接近原料基地,且在垂直风向的郊外;自来水厂、疗养院、大型商场、食品厂布局合理,自来水厂在河流上游,不受或少受污染,分布在居民区中心地带;造纸厂布局不合理,理由是它位于夏季风的上风地带,且离居民区、高等院校较近,大气污染严重;铁路穿过市区不合理,因为噪声污染、大气污染严重。
(4)心脏供氧不足,心脏收缩性减弱,因而心脏输出量减少。
答案:(1)煤炭基地、大型硫酸厂、化工厂布局合理,自来水厂、疗养院、大型商场、食品厂布局合理。造纸厂布局不合理,铁路穿过市区不合理。
(2)4FeS2+11O22Fe2O3+8SO2
2SO2+O22SO3
(3)氨吸收法:SO2+2NH3+H2O(NH4)2SO3
(NH4)2SO3+H2SO4(NH4)2SO4+SO2↑+H2O
(4)心脏供氧不足,心脏收缩性减弱,因而心脏输出量减少。该市应采取的措施是:①大力植树造林;②限制大量汽车将碳氢化合物、氮氧化合物排入大气;③采用科学技术对硫酸厂、化工厂、造纸厂、煤炭基地的废气进行回收处理;④创造条件,将造纸厂迁移到远离市区的郊外等等。
10.酸雨能使大片水稻突然枯死,我国每年因酸雨污染都造成大量的经济损失。
(1)酸雨的形成主要是由于空气中含有 气体。现取一份雨水,每隔一段时间测定其pH,结果如下:
测定时间/h 0 1 2 4 8
雨水pH 4.73 4.62 4.56 4.55 4.55
产生上述结果的原因是
。
(2)空气中的二氧化硫在烟尘的作用下与氧气结合也能形成酸雨,请写出反应的化学方程式: 。
(3)请提出两条防治酸雨的措施。
答案:(1)SO2 SO2溶于水形成H2SO3,由于空气中的氧气可以缓慢氧化H2SO3生成H2SO4 ,而硫酸是强酸,故溶液的pH逐渐减小
(2)2SO2+O2+2H2O2H2SO4
(3)①控制空气中SO2和氮氧化物的排放量 ②植树造林,净化空气
11.某化工厂以硫黄为主要原料之一生产硫酸,每小时生产98%(质量分数)的硫酸的质量为a t,为使硫充分燃烧,且在下一步催化氧化时不再补充空气,要求燃烧后的混合气体中含氧气的体积分数为b%。若空气中氧气的体积分数为21%且不考虑各生产阶段的物料损失,则:
(1)该厂每小时消耗标准状况下的空气体积为 m3。
(2)为满足题设要求,b%的下限等于 。
解析:(1)由硫黄转化为硫酸的化学方程式为:
S+O2SO2 2SO2+O22SO3 SO3+H2OH2SO4
氧气和硫酸之间的量的关系为(不计原料损失):
3O2 ~ 2H2SO4
3×22.4 L 2×98 g
V a×106 g×98%
V(O2)==(3.36×105)a L
则每小时消耗标准状况下的空气为:
V(空气)==1.6×106a L=1 600a m3
(2)由S(s)+O2(g)SO2(g)可知,在同温同压下,硫黄燃烧前后气体体积不变。
a t 98%的硫酸中H2SO4的物质的量为a×10 kmol,则硫黄燃烧生成的SO2的物质的量也为a×10 kmol。
根据O2体积守恒,列代数方程:
1 600a m3×21%=1 600a m3×b%+a×10 kmol×22.4 m3·kmol-1
化简得:b%=7%
答案:(1)1 600a (2)7%
