人教版高中化学选修二教学讲义，复习补习资料（含知识讲解，巩固练习）：01化工生产过程中的基本问题(基础)
文档属性
| 名称 | 人教版高中化学选修二教学讲义，复习补习资料（含知识讲解，巩固练习）：01化工生产过程中的基本问题(基础) |  | |
| 格式 | zip | ||
| 文件大小 | 158.3KB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（新课程标准） | ||
| 科目 | 化学 | ||
| 更新时间 | 2019-12-24 08:07:19 | ||
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文档简介
化工生产过程中的基本问题
【学习目标】
1、认识工业上生产硫酸的反应原理；
2、以硫酸生产为例，了解化工生产过程中的一些基本问题；
3、认识平衡移动原理及其对化工生产中条件控制的意义和作用。
【要点梳理】
【 炔烃和气态烃燃烧#化学性质】
要点一、接触法制硫酸
1．化学原理：
造气
S (s)+O2 (g)==SO2 (g)；ΔH=―279 kJ·mol―1
4FeS2 (s)+11O2 (g)==2Fe2O3 (s)+8SO2 (g)；ΔH=―3412 kJ·mol―1
接触氧化
2SO2 (g)+O2 (g) 2SO3 (g)；ΔH=―196.6 kJ·mol―1
三氧化硫的吸收
SO3 (g)+H2O (l)==H2SO4 (l)；ΔH=―130.3 kJ·mol―1
2．原料：黄铁矿（主要成分是FeS2）（或者硫）、空气、98.3%的H2SO4。
3．主要设备：①沸腾炉（制取SO2的设备，用硫作原料不用此设备，我国现在还主要用黄铁矿为原料制H2SO4）；②接触室（制取SO3的设备）；③吸收塔（制取H2SO4的设备）。
4．生产工艺流程：
要点诠释：硫酸生产过程中三设备的两进两出；每套设备都有两进两出。
（1）沸腾炉
两进：黄铁矿进口和空气进口。
两出：矿渣出口和炉气出口（炉气成分：SO2、O2、N2、水蒸气以及一些杂质，砷、硒等的化合物及矿尘等）。
（2）接触室
两进：冷反应混合气进口（主要成分：SO2、O2、N2等）和经过预热的热反应混合气进口（主要成分：SO2、O2、N2等）。
两出：经过热交换器预热的热反应混合气出口（主要成分：SO2、O2、N2等）和反应后混合气出口（主要成分：SO3、SO2、O2、N2等）。
（3）吸收塔
两进：混合气进口（主要成分：SO3、SO2、O2、N2等）和98.3%的H2SO4进口。
两出：供稀释用硫酸出口（主要成分：H2SO4、SO3）和尾气出口（主要成分：SO2、O2、N2等）。
5．SO2接触氧化适宜条件的选择
（1）温度：SO2接触氧化是一个放热的可逆反应，根据化学平衡理论判断可知，此反应在温度较低的条件下进行最为有利。但是，温度较低时催化剂活性不高，反应速率低，从综合经济效益来考虑，对生产不利。在实际生产中，选定400～500℃作为操作温度，因为在这个温度范围内，反应速率和SO2的平衡转化率（93.5%～99.2%）都比较理想。
（2）压强：SO2的接触氧化也是一个总体积缩小的气体反应。增大气体压强，能相应提高SO2的平衡转化率，但提高得并不多。考虑到加压必须增加设备，增大投资和能量消耗，而且在常压下，400～500℃时，SO2的平衡转化率已经很高，所以硫酸工厂通常采用常压进行操作，并不加压。
（3）催化剂：主要含五氧化二钒（V2O5），俗称钒触媒。
接触氧化适宜条件：温度：400～500℃（反应速率快，催化剂活性高）；压强：常压（常压下，SO2转化率已很高，无需加压）；催化剂：五氧化二钒（V2O5）。
要点诠释：催化剂在使用中会因各种因素而失去活性，其中重要的一个因素就是中毒。催化剂中毒的原因有几种可能，原料中所含的少量杂质，或是强吸附（多为化学吸附）在活性中心上，或是与活性中心起化学作用，变为别的物质，都能使活性中心中毒。另外，反应产物中也可能有这样的毒物；在催化剂的制备过程中，载体内所含的杂质与活性组分相互作用，也可能毒化活性中心。中毒不仅影响催化剂的活性，造成催化剂的活性下降，也影响催化剂的选择性。
6．硫酸的用途
硫酸是化学工业中重要产品之一，是许多工业生产所用的重要原料。硫酸常列为国家主要重工业产品之一。
硫酸的用途十分广泛。主要有下列几方面：
化肥工业：硫酸与氨反应生成硫酸铵（肥田粉），与磷矿粉反应生成过磷酸钙，每生产1 t硫酸铵要消耗750 kg硫酸；1 t过磷酸钙要消耗360 kg硫酸。近年来，已逐渐用其他氮肥如尿素、碳酸氢铵、氨水、硝酸铵等代替硫酸铵，使硫酸用于生产氮肥的用量有所减少，但硫酸用于磷肥仍在增长。目前化肥工业（主要是磷肥）仍然是硫酸的最大用户，国外化肥用酸约占硫酸总消费量的40％，我国化肥用酸约占60％。
有机合成工业：在有机合成工业中要用硫酸生产各种磺化产品、硝化产品，如每生产1 t锦纶需发烟硫酸1.7 t；1 t TNT消耗360 kg硫酸。
石油工业：石油产品精炼时要用硫酸除去产品中的不饱和烃等，例如每吨柴油要消耗31 kg硫酸。
金属工业：金属铜、锌、镉、镍的精炼，其电解液需用硫酸配制；电镀、搪瓷工业需用酸洗去其表面的铁锈和氧化铁。
无机盐工业：在无机盐工业中，硫酸作为一种最易大量获得、价格低廉的酸，用以生产各种硫酸盐、磷酸盐、铬酸盐等。
原子能工业：大量硫酸用于离子交换法提取铀。
要点二、化工生产过程中的基本问题
1．依据化学反应原理确定生产过程
化工生产是以化学反应原理为依据，以实验室研究为基础的。任何生产的完成都要符合化学反应规律。对于某一具体的化工产品，研究生产过程要从产品的化学组成和性质考虑，来确定原料和生产路线。
案例：工业制硫酸的反应原理和生产路线。从H2SO4的组成看，原料应是自然界存在的硫黄或硫铁矿。反应过程为：S或FeS2→SO2→SO3→H2SO4。由此可确定生产过程可分为：第一步：以硫黄或硫铁矿为原料制备SO2（造气）；第二步：利用催化氧化反应将SO2氧化为SO3（催化氧化）；第三步：三氧化硫转化为硫酸（吸收）。
2．生产中原料的选择
在工业生产中，选择原料除依据化学反应原理以外，还有许多因素要考虑，如厂址选择、原料、能源、工业用水的供应能力、存贮、运输、预处理成分及环境保护等。
案例：虽然用硫黄制硫酸的装置优于黄铁矿制硫酸的装置，且硫黄制硫酸比黄铁矿制硫酸生产流程短，设备简单，三废处理量小，劳动生产率高，易于设备大型化等。但由于我国硫资源缺乏，黄铁矿储量比天然硫黄要大，所以我国主要是以黄铁矿为原料制硫酸。
3．生产中反应条件的控制
在工业生产中，常常涉及可逆反应，因此要根据平衡移动原理和化学反应速率原理来选择合适的反应条件，使制备反应进行得尽可能地快，并且反应物的转化率尽可能的高。在实际生产中还要考虑控制某些化学反应条件的成本和实际可能性，因此转化率的高低不是唯一要考虑的因素。
4．生产中的三废的处理
三废处理或将三废消灭于生产过程中，是近年来化工技术发展的方向之一。
（1）尾气处理
硫酸工业生产的尾气中含有少量的SO2，可用石灰水吸收，使其生成CaSO3，然后再用硫酸处理，生成SO2和CaSO4。
化学方程式为：SO2+Ca(OH)2==CaSO3+H2O CaSO3+H2SO4==CaSO4+SO2↑+H2O。
（2）污水处理
Ca(OH)2+H2SO4==CaSO4+2H2O
（3）废渣利用
5．能量的充分利用
硫酸生产过程中要消耗大量的能量。例如，开动机器设备（矿石粉碎机、运输装置、鼓风机、泵等）需要电能，维持接触氧化适宜的温度（400～500℃）需要热能。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以降低生产成本。例如，在沸腾炉旁设置“废热”锅炉，产生的蒸气可用来发电；在催化反应室中设热交换装置，利用SO2氧化为SO3时放出的热来预热即将参加反应的SO2和O2，使其达到适宜的反应温度。据测算，生产1 t硫酸约需消耗100 kW·h的电能，而相应量反应物在生产过程中放出的反应热相当于200 kW·h的电能。以上资料显示：硫酸生产中如能充分利用“废热”，则不仅不需要由外界向硫酸厂供应能量，而且还可以由硫酸厂向外界输送大量的能量。
要点三、硫酸工业制备中的知识储备
1．FeS2中硫元素的化合价
从化合价定则推知，FeS2中铁为+2价，硫为―1价。但在已知硫元素的各种价态中，只有―2价、0价、+4价、+6价，并不存在―1价。这里根据化合价定则求算出的硫元素的“化合价”，实际上是硫元素在该化合物中
的氧化数。所谓氧化数是指元素一个原子在外观或形式上所带的电荷。FeS2的电子式为 ，两个硫
原子之间形成一对共用电子对，由于两个相同的硫原子吸收电子的能力相同，该电子对不发生偏移，而是居于两个硫原子的正中央，两个硫原子都不显电性。但每个硫原了和铁原子结合时，一个硫原子获得铁原子供给的一个电子，而带一个单位负电筒，故在FeS2中每个硫原子在外观或形式上带有一个单位负电荷，所以FeS2中硫元素的氧化数为－1。由于中学化学里不要求氧化数的概念，可以通俗地认为FeS2中硫元素的“化合价”为－1价。当然也可以把（S2）看做是一个整体，称为过硫团，可以认为过硫团（S2）显－2价。
2．煅烧硫铁矿的化学方程式中电子转移方向和总数的标法
单线桥法：
4FeS2+11O22Fe2O3+8SO2
或
4FeS2+11O22Fe2O3+8SO2
若用双箭号法标电子转移方向和总数，则为：
4FeS2+11O22Fe2O3+8SO2
还原剂为FeS2，氧化剂为O2，氧化产物为Fe2O3和SO2，还原产物为Fe2O3和SO2。本质是0价的O元素氧化了+2价的Fe和－1价的S元素，参加反应的三种元素均参加了氧化还原反应。
3．常见问题整理
A、工业上接触法制硫酸中为什么要先将黄铁矿粉碎？
答：该做法是为了增大反应物之间的接触面积，因为反应物之间的接触面积越大，反应速率就越快，制H2SO4时把黄铁矿石粉碎，并在沸腾炉中燃烧，从而加快反应的进行，燃烧也充分。
B、为什么把燃烧黄铁矿的炉子叫沸腾炉？为什么用这种炉子？
答：这是因为矿粒燃烧的时候，从炉底通入强大的空气流，把矿粒吹得在炉内一定空间里剧烈翻腾，好像“沸腾着的液体”一样。因此，人们把这种炉子叫沸腾炉。
矿粒在这种沸腾情况下，跟空气充分接触，燃烧快，反应完全，提高了原料的利用率。
C、黄铁矿在沸腾炉里燃烧时，为什么要向炉中鼓入过量的空气（氧气）？
师答：生产上，常使其一反应物的用量（浓度）超过反应所需的量。过量的那种反应物往往是原料中比较易得且价钱比较便宜的。因而能使较贵重的原料更充分利用。在焙烧黄铁矿石制造硫酸时，采用过量的空气使黄铁矿充分燃烧，就是一例。
D、逆流原理在接触法制硫酸过程中有哪些具体的作用？
师答：在化工生产中，相互作用的物料，往往采用逆流的方法，如用质量分数为98.3％的硫酸吸收三氧化硫，液体和气体的流向是相反的，液体由吸收塔顶部淋下，气体由下向上，使作用更完全。在热交换中，冷的和热的气体（或液体），都是采用逆流的方法进行热量交换的。硫酸工业中，接触室内使用热交换器，使未进入接触室的SO2和O2得以预热，有利于SO2的转化；从接触室里出来的SO3。得以降温，减少了SO3的分解。
E、为什么通入接触室的混合气体必须预先净化？如何净化？
师答：从沸腾炉里出来的炉气中，除SO2、O2、N2外，还有水蒸气，有如含砷、硒等的化合物杂质及矿尘，杂质和矿尘会使催化剂失去活性而中毒，水蒸气会跟SO2、SO3形成酸雾，腐蚀管道设备，因此通入接触室的混合气体预先净化。
F、什么是热交换过程？
师答：通过热交换器把反应时生成的热，传递给进入接触室的需要预热的混合气体，并冷却反应后生成的气体。像这样传递热量的过程就是化学工业上常用的热交换过程。
G、吸收SO3为什么不直接用水或稀H2SO4，而是用98.3％的硫酸？
师答：这是因为用水或稀H2SO4作吸收剂时，容易形成酸雾，吸收速度慢且吸收不充分，而用98.3％的硫酸作吸收剂，则在吸收过程中不形成酸雾，吸收速率快且吸收充分，有利于SO3的吸收。
4．发烟硫酸、纯硫酸、浓硫酸、稀硫酸有何区别和联系？
将SO3气体溶解在浓硫酸中所成的溶液称为发烟硫酸。发烟硫酸暴露在空气中时，挥发出的SO3气体和空气中的水蒸气形成硫酸的小液滴而发烟。发烟硫酸的脱水性、吸水性和氧化性都比浓硫酸更强。在硫酸工业上常用98.3％的硫酸来吸收SO3得到发烟硫酸，再用92.3％的硫酸来稀释发烟硫酸，得到市售的98.3％的硫酸。
纯硫酸是无色油状液体，100％的纯硫酸几乎不导电。加热纯硫酸放出SO3直至酸的浓度降低至98.3％，此时沸点为338℃，再继续加热，硫酸的浓度不变，所以不能用蒸发的方法得到无水硫酸。
市售的浓硫酸一般含有H2SO4为96％～98％，比重为1.84g·mL－1，相当于18 mol·L－1。具有强烈的吸水性、氧化性、脱水性。能把铁、铝钝化。
通常用来制取氢气的稀硫酸其浓度约为3～4 mol·L－1，且具有酸的通性，无吸水性、脱水性，能和铁、铝剧烈反应放出H2。
【典型例题】
类型一：硫酸的制备原理及生产工艺
例1 有关接触法制硫酸的叙述，其中正确的是（ ）
A．用硫黄或硫铁矿均可作为原料
B．尾气含二氧化硫，不需处理即可排入空气
C．送进沸腾炉的矿石不需粉碎，燃烧黄铁矿应不断添加燃料
D．接触室中的热交换器的作用是冷却沸腾炉出来的炉气
【思路点拨】净化过程：炉气→除尘（除矿尘）→洗涤（除砷、硒等的化合物）→干燥（除水蒸气）→SO2、O2、N2。
【答案】A
【解析】接触法制硫酸，关键是将SO2与O2通过催化剂（V2O5）的作用，接触氧化为SO3，至于获得SO2，可以将硫燃烧而得，也可以煅烧硫铁矿（主要成分是FeS2）而得，所以A说法正确。尾气中是含有SO2，会污染大气。块状矿石不易燃烧，故必须粉碎。从化工生产原理上讲叫做增大反应物接触面积，有利于加快化学反应速率。另外硫铁矿燃烧过程是放热的，所以点燃以后不需添加燃料。接触室中的热交换器的作用是加热进入接触室的SO2和O2混合气体，同时冷却反应后生成SO3等气体，而沸腾炉出来的炉气在进入接触室前因净化等处理早已冷却。
【总结升华】明确工业制硫酸的原料、反应设备及原理、尾气处理方法。注意总结工业制备类要点，横向总结，纵向对比。
例2 固体A、B都由两种相同的元素组成，在A、B中两元素的原子个数比分别为1∶1和1∶2，将A、B在高温时煅烧，产物都是C（s）和D（g）。由D最终可制得E，E是非金属元素显+6价的含氧酸，该非金属元素形成的单质通常是一种淡黄色晶体，E的稀溶液和A反应时生成G（g）和F（aq），G通入D的水溶液，有淡黄色沉淀生成。在F中滴入溴水后，加入KOH溶液有红褐色沉淀生成，加热时又能转变为G。根据上述事实回答：
（1）A的化学式是________，B的化学式是________。
（2）写出下列反应的化学方程式：
①B煅烧生成C和D________________。
②G通入D溶液中________________。
③向F中滴入溴水________________。
【思路点拨】审题时，注意题目中的“非金属元素显+6价的含氧酸”、“该非金属元素形成的单质通常是一种淡黄色晶体”均可做为本题中的突破口。
【答案】（1）A为FeS，B为FeS2
（2）①4FeS2+11O22Fe2O3+8SO2
②2H2S+H2SO3==3S↓+3H2O
③6FeSO4+3Br2==2Fe2(SO4)3+2FeBr3
【解析】解答这道题的关键在于推出组成固体A和B的两种元素。
第一步：根据E是非金属元素显+6价的含氧酸且该非金属元素形成的单质，通常是一种淡黄色固体，所以E是H2SO4。
第二步：A（或B）C+D，D最终制得E，E+A→G↑+F，G+D→淡黄色沉淀。该淡黄色沉淀必为S，进一步验证E为H2SO4，A和B中均含S元素。
第三步：F红褐色沉淀C，该红褐色沉淀必为Fe(OH)3，因此C为Fe2O3，F为含Fe2+的溶液，A和B中均含Fe元素。
【总结升华】注意总结常见元素及其化合物的特征现象及特征反应，以此做为推断题的突破口，迅速有效的解答题目。
举一反三：
【变式1】在硫酸工业中，通过下列反应使SO2转化为SO3：
2SO2 (g)+O2 (g)2SO3 (g)；ΔH=―196.6 kJ·mol―1
（1）该反应在________（设备）中进行，这种生产硫酸的方法叫做________________。
（2）在实际生产中，操作温度选定400～500℃，是因为________________。
（3）硫酸工业选定压强通常采用________，作出这种选择的依据是________________。
【答案】（1）接触室；接触法。（2）温度较低时催化剂活性不高，反应速率慢，温度过高，SO2转化率会降低。（3）常压；在常压及400～500℃时，SO2转化率已经很高，若加压则会增加设备、增加投资和能量消耗。
例3（2019 江西检测）石膏也可用于工业生产二氧化硫，进而生产硫酸。天然石膏的化学式为CaSO4·2H2O。将天然石膏脱水后，第2步化学反应就可制得二氧化硫。
（1）写出第1步反应的化学方程式________。
（2）在第2步化学反应中，下列原料可以使用的是（用序号填空）________，写出有关化学反应的方程式________。
①空气 ②氧气 ③硫酸 ④焦炭
（3）在第2步化学反应中，可能会排入空气中的气态污染物是________，它（或它们）的主要危害是________。
【思路点拨】书写化学方程式是本题的难点，但是抓住题中的关键提示信息就能轻易化解。
【答案】（1）CaSO4·2H2OCaSO4+2H2O
（2）④ 2CaSO4+C2CaO+2SO2↑+CO2↑
（3）二氧化硫和一氧化碳 二氧化硫导致酸雨，一氧化碳使人中毒
【解析】在CaSO4→SO2的变化中硫元素被还原，所以要使用还原剂（焦炭）。焦炭的氧化产物中有可能含有一氧化碳。
【总结升华】此法与由硫黄或硫铁矿为原料制SO2相比，缺点是制备过程有复杂的两步，而且产生SO2导致酸雨，CO使人中毒。由于我国的天然硫黄资源缺乏，而且开采条件比较复杂，用硫黄制硫酸的原料多需进口，用硫黄制硫酸的成本高于用黄铁矿制硫酸，由于我国黄铁矿的储量比天然硫黄大，今后的发展趋势应是以黄铁矿为原料生产硫酸。
举一反三：
【变式1】（2019 北京海淀）硫酸最古老的生产方法是把绿矾装入反应器中加强热，会流出油状液体，并放出有刺激性气味的气体（SO2），反应器中的固体变为红色。
（1）写出这种方法中绿矾转化为硫酸的两个化学反应方程式：
①________；
②________。
（2）与现代以硫黄为主要原料生产硫酸的方法相比，这种古老的生产硫酸的方法存在若干不足，试从原料的利用率、环境保护、生产原理等方面加以说明。
【答案】（1）①FeSO4·7H2OFe2O3+SO2↑+SO3↑+7H2O ②SO3+H2O==H2SO4 （2）FeSO4·7H2O中的硫元素仅有50％转化为SO3，原料利用率低，生成的SO2污染环境，反应中易形成硫酸酸雾。
【解析】绿矾的组成为FeSO4·7H2O，其中铁的化合价是+2、硫的化合价是+6。题中指出，加强热后容器内生成了红色固体，这说明有Fe2O3，生成。在FeSO4·7H2O→Fe2O3的变化中铁元素被氧化，则必有+6价的硫元素被还原。在此基础上，运用质量守恒原理和氧化还原反应原理进行分析判断，即可写出FeSO4·7H2O→Fe2O3的完整的化学方程式。
类型二：工业制硫酸的有关计算
例4 在一定条件下可发生反应：2SO2 (g)+O2 (g)2SO3 (g)。现取3 L SO2和6 L O2混合，当反应达到平衡后，测得混合气体的体积减小10%。求：
（1）SO2的转化率。
（2）平衡混合气体中SO3的体积分数。
【思路点拨】解答有关计算时，注意气体摩尔体积及阿伏加德罗定律的应用：同温同压下，相同体积的任何气体必然含有相同数目的分子。
【答案】（1）60% （2）22.2%
【解析】（1）2SO2 + O2 2SO3 Δn
2 1 2 1
Δn (SO2) (3+6)×10%
Δn (SO2)=1.8
SO2转化率
（2）。
【总结升华】在涉及工业制备的计算时，经常涉及到多步反应，注意此类习题转化率、产率等问题。
举一反三：
【变式1】反应2SO2 (g)+O2 (g)2SO3 (g)（正反应为放热反应）在不同温度或不同压强（p1＞p2）下达到平衡时，混合气体中SO2的体积分数a%随温度和压强的变化曲线正确的是（ ）
【答案】D （点拨：正反应是放热反应，且是体积减小的反应，随温度升高，a%增大，随压强增大，a%减小。）
【巩固练习】
一、选择题
1．接触法制硫酸中，与之无关的设备是（ ）
A．吸收塔 B．接触室 C．沸腾炉 D．氧化炉
2．为了提高SO2转化为SO3的质量分数，工业上常使用适当过量的空气，这样从接触室导出的气体的成分是（ ）
A．SO3、O2 B．SO3、O2、SO2、N2 C．SO3、N2 D．SO3、O2、N2
3．把1 g含脉石（SiO2）的黄铁矿样品在氧气流中灼烧，反应完全得残渣0.78 g，则此黄铁矿中含FeS2的质量分数为（ ）
A．33% B．66% C．78% D．88%
4．（2019 南京检测）在硫酸的工业制法中，下列生产操作与说明生产操作的原因二者都正确的是（ ）。
A．黄铁矿燃烧前需将矿粒粉碎，这样易于向沸腾炉中投料
B．炉气进入接触室之前需要净化、干燥，因为炉气中的杂质易与SO2反应
C．SO2氧化为SO3时需使用催化剂，这样可提高SO2的转化率
D．接触室的反应温度控制在400～500℃，因为在这个温度范围内，反应速率和SO2的转化率都比较理想，且催化剂的活性也较高
5．用硫铁矿生产硫酸的过程中，对提高效率不利的因素是（ ）
A．矿石粉碎后送入沸腾炉 B．使用热交换器预热气体
C．用水吸收三氧化硫 D．使用催化剂
6．接触法制硫酸时由沸腾炉产生的炉气中能使催化剂中毒的成分是（ ）
A．水蒸气 B．砷、硒的化合物 C．氧气 D．氮气
7．在硫酸工业中，常用浓H2SO4而不用水吸收SO3是因为（ ）
A．SO3易溶于H2SO4而不溶于水
B．用浓H2SO4吸收速度慢，损失SO3少
C．用水吸收易形成酸雾，阻碍SO3再吸收
D．用水吸收得不到纯净的硫酸
8．（2019 北京海淀）下列对硫酸生产中化学反应原理的分析正确的是（ ）。
A．硫酸生产中涉及的三个化学反应因原料的不同可能全部是氧化还原反应
B．硫酸生产中涉及的三个化学反应都是放热反应
C．硫酸生产中涉及的三个化学反应都需要使用催化剂
D．硫酸生产中涉及的三个化学反应都需要在较高温度条件下进行
9．“绿色化学”是人们最近提出的一个新概念，主要内容之一是指从技术、经济上设计一种可行的化学反应，尽可能减少对环境的负面作用，下列化学反应符合绿色化学概念的是( ) A、制CuSO4：Cu＋2H2SO4（浓）＝CuSO4＋SO2↑＋2H2O B、制CuSO4：2Cu＋O2＝2CuO；CuO＋H2SO4（稀）＝CuSO4＋H2O C、制Cu(NO3)2：3Cu＋8HNO3（稀）＝3Cu(NO3)2＋2NO2↑＋4H2O D、制Cu(NO3)2：Cu＋4HNO3（浓）＝Cu(NO3)2＋2NO2↑＋2H2O
10．对于反应4FeS2+11O22Fe2O3+8SO2，下列叙述正确的是（ ）
A．铁和硫两种元素被还原
B．Fe2O3和SO2都既是氧化产物，又是还原产物
C．1 mol FeS2在反应中失去11 mol e―
D．如果O2过量，SO2会被氧化成SO3
二、填空题
1．2SO2 (g)+O2 (g)2SO3 (g)；ΔH=―196.6 kJ·mol―1，相同条件下混合1 mol SO2、0.5 mol O2反应，测得反应放出的热量总是小于98.3 kJ，其原因是________________。
2．在一体积可变的密闭容器中，对可逆反应A (g)+B (g)2C (g)；ΔH＜0进行5次实验，数据如下表，根据下表中提供的数据判断当反应达到平衡时：
（1）第________次实验结果，A的转化率最大；
（2）第________次实验结果，A的浓度最大；
（3）第________次实验结果，正反应速率最大。
实验
次数
起始浓度／（mol·L－1）
反应条件
A
B
C
温度／℃
压强／Pa
催化剂
①
1
5
0
200
1.01×106
有
②
1
5
0
200
1.01×105
有
③
1
1
0
200
1.01×106
有
④
1
5
0
20
1.01×105
无
⑤
1
1
0
20
1.01×105
无
3．针对硫酸工业，回答问题： (1)在进行接触氧化前，为什么要对炉气进行净化和干燥？ (2)根据化学平衡理论，考虑综合经济效益，SO2的接触氧化应在什么条件下进行最为有利？
4．（2019 孝感、宜昌等七市联考）硫酸是重要的化工原料，它的产量衡量了一个国家的工业发展水平。工业生产硫酸时，利用催化氧化反应将SO2转化为SO3是一个关键步骤。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SO2：7％，O2：11％，N2：82％，）。根据信息回答下列问题：
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
（1）工业制硫酸时发生此反应的设备是________。
（2）已知SO2的催化氧化反应是放热反应，如何利用表中数据推断此结论？________。
（3）在400～500℃，SO2的催化氧化采用常压而不是高压，主要原因是________。
（4）为提高SO3的吸收率，实际生产中用________吸收SO3。
（5）在此反应前必须对原料气进行净化的原因是________。
（6）已知2SO2 (g)+O2 (g) 2SO3 (g) ΔH=－196.61 kJ／mol
每生产2000 t 98％硫酸所需要的SO3的质量为________t，由SO2生产这些SO3所放出的热量为________kJ。
【参考答案与解析】
一、选择题
1．D
【解析】二氧化硫氧化为三氧化硫的设备叫做接触室
2．B
【解析】SO2氧化为SO3的反应为可逆反应，空气中的N2不参加反应
3．B
【解析】用差量法计算
4．D
【解析】黄铁矿进入沸腾炉之前需粉碎的原因是为了增大矿粒与空气的接触面积，使其燃烧得更快、更充分，从而提高黄铁矿的利用率；从沸腾炉出来的炉气必须净化、干燥，是因为炉气中的一些杂质气体会使接触室中的催化剂中毒，使催化剂丧失活性，同时防止炉气中的水蒸气和SO2生成酸而腐蚀管道；SO2转化为SO3时使用催化剂是为了缩短达到平衡的时间，但它并不影响化学平衡的移动，并不影响SO2的转化率大小；接触室控制反应的温度在400～500℃，这是综合考虑了催化剂活性、反应速率及SO2的转化率等因素而确定的，故A、B、C三项与题意要求不符，D项符合。
5．C
【解析】用水吸收三氧化硫会形成酸雾，影响吸收效率
6．B
7．C
【解析】用浓H2SO4而不用水吸收SO3是防止形成酸雾
8．B
【解析】无论是以硫黄为原料，还是以黄铁矿为原料，三个化学反应都是放热反应；三个反应中只有SO2→SO3需使用催化剂；SO3→H2SO4在常温下进行，且是非氧化还原反应。
9．B
10．BC
【解析】铁和硫的价态均升高被氧化，A项错；SO2被氧化成SO3要在催化剂和高温条件下才能实现，D项错
二、填空题
1．如果1 mol SO2与0.5 mol O2完全反应全部转化为1 mol SO3，则放出热量为98.3 kJ。此反应为可逆反应，1 mol SO2不可能与0.5 mol O2完全反应，则放出热量小于98.3 kJ。
2．（1）④ （2）③ （3）①
3．(1) 防止催化剂中毒。 (2) 400℃～500℃，常压并在催化剂作用下。
4．（1）接触室
（2）压强一定时，温度升高，SO2的转化率下降，说明升温有利于向逆反应方向进行，所以正反应为放热反应
（3）增大压强对提高SO2的转化率无显著影响，反而会增加成本
（4）98.3％的浓H2SO4
（5）防止催化剂中毒
（6）1.6×103 1.966×109
【解析】（1）此题考查工业生产硫酸中在接触室发生的可逆反应：2SO2+O22SO3。通过表中数据分析在实际生产中，结合化学反应速率和化学平衡理论确定反应条件。（2）在压强一定时，温度升高，SO2的转化率减小，说明升温不利于反应向正方向进行，从平衡移动分析实际生产中应采用低温，但温度过低，反应速率又慢，不经济，因此最终选择400～500℃，此时催化剂活性高；（3）温度一定时，压强增大，SO2转化率会增大，但增大程度不大，这样成本高，不经济，因此最终选择常压；（6）依据化学方程式进行计算：
2SO2+O22SO3，SO3+H2O==H2SO4，有：
SO3 ～ H2SO4
80 98
m 2 000 t×98％
所以。
设放出的热量为Q，则有：
，得Q=1.966×109 kJ。
【学习目标】
1、认识工业上生产硫酸的反应原理；
2、以硫酸生产为例，了解化工生产过程中的一些基本问题；
3、认识平衡移动原理及其对化工生产中条件控制的意义和作用。
【要点梳理】
【 炔烃和气态烃燃烧#化学性质】
要点一、接触法制硫酸
1．化学原理：
造气
S (s)+O2 (g)==SO2 (g)；ΔH=―279 kJ·mol―1
4FeS2 (s)+11O2 (g)==2Fe2O3 (s)+8SO2 (g)；ΔH=―3412 kJ·mol―1
接触氧化
2SO2 (g)+O2 (g) 2SO3 (g)；ΔH=―196.6 kJ·mol―1
三氧化硫的吸收
SO3 (g)+H2O (l)==H2SO4 (l)；ΔH=―130.3 kJ·mol―1
2．原料：黄铁矿（主要成分是FeS2）（或者硫）、空气、98.3%的H2SO4。
3．主要设备：①沸腾炉（制取SO2的设备，用硫作原料不用此设备，我国现在还主要用黄铁矿为原料制H2SO4）；②接触室（制取SO3的设备）；③吸收塔（制取H2SO4的设备）。
4．生产工艺流程：
要点诠释：硫酸生产过程中三设备的两进两出；每套设备都有两进两出。
（1）沸腾炉
两进：黄铁矿进口和空气进口。
两出：矿渣出口和炉气出口（炉气成分：SO2、O2、N2、水蒸气以及一些杂质，砷、硒等的化合物及矿尘等）。
（2）接触室
两进：冷反应混合气进口（主要成分：SO2、O2、N2等）和经过预热的热反应混合气进口（主要成分：SO2、O2、N2等）。
两出：经过热交换器预热的热反应混合气出口（主要成分：SO2、O2、N2等）和反应后混合气出口（主要成分：SO3、SO2、O2、N2等）。
（3）吸收塔
两进：混合气进口（主要成分：SO3、SO2、O2、N2等）和98.3%的H2SO4进口。
两出：供稀释用硫酸出口（主要成分：H2SO4、SO3）和尾气出口（主要成分：SO2、O2、N2等）。
5．SO2接触氧化适宜条件的选择
（1）温度：SO2接触氧化是一个放热的可逆反应，根据化学平衡理论判断可知，此反应在温度较低的条件下进行最为有利。但是，温度较低时催化剂活性不高，反应速率低，从综合经济效益来考虑，对生产不利。在实际生产中，选定400～500℃作为操作温度，因为在这个温度范围内，反应速率和SO2的平衡转化率（93.5%～99.2%）都比较理想。
（2）压强：SO2的接触氧化也是一个总体积缩小的气体反应。增大气体压强，能相应提高SO2的平衡转化率，但提高得并不多。考虑到加压必须增加设备，增大投资和能量消耗，而且在常压下，400～500℃时，SO2的平衡转化率已经很高，所以硫酸工厂通常采用常压进行操作，并不加压。
（3）催化剂：主要含五氧化二钒（V2O5），俗称钒触媒。
接触氧化适宜条件：温度：400～500℃（反应速率快，催化剂活性高）；压强：常压（常压下，SO2转化率已很高，无需加压）；催化剂：五氧化二钒（V2O5）。
要点诠释：催化剂在使用中会因各种因素而失去活性，其中重要的一个因素就是中毒。催化剂中毒的原因有几种可能，原料中所含的少量杂质，或是强吸附（多为化学吸附）在活性中心上，或是与活性中心起化学作用，变为别的物质，都能使活性中心中毒。另外，反应产物中也可能有这样的毒物；在催化剂的制备过程中，载体内所含的杂质与活性组分相互作用，也可能毒化活性中心。中毒不仅影响催化剂的活性，造成催化剂的活性下降，也影响催化剂的选择性。
6．硫酸的用途
硫酸是化学工业中重要产品之一，是许多工业生产所用的重要原料。硫酸常列为国家主要重工业产品之一。
硫酸的用途十分广泛。主要有下列几方面：
化肥工业：硫酸与氨反应生成硫酸铵（肥田粉），与磷矿粉反应生成过磷酸钙，每生产1 t硫酸铵要消耗750 kg硫酸；1 t过磷酸钙要消耗360 kg硫酸。近年来，已逐渐用其他氮肥如尿素、碳酸氢铵、氨水、硝酸铵等代替硫酸铵，使硫酸用于生产氮肥的用量有所减少，但硫酸用于磷肥仍在增长。目前化肥工业（主要是磷肥）仍然是硫酸的最大用户，国外化肥用酸约占硫酸总消费量的40％，我国化肥用酸约占60％。
有机合成工业：在有机合成工业中要用硫酸生产各种磺化产品、硝化产品，如每生产1 t锦纶需发烟硫酸1.7 t；1 t TNT消耗360 kg硫酸。
石油工业：石油产品精炼时要用硫酸除去产品中的不饱和烃等，例如每吨柴油要消耗31 kg硫酸。
金属工业：金属铜、锌、镉、镍的精炼，其电解液需用硫酸配制；电镀、搪瓷工业需用酸洗去其表面的铁锈和氧化铁。
无机盐工业：在无机盐工业中，硫酸作为一种最易大量获得、价格低廉的酸，用以生产各种硫酸盐、磷酸盐、铬酸盐等。
原子能工业：大量硫酸用于离子交换法提取铀。
要点二、化工生产过程中的基本问题
1．依据化学反应原理确定生产过程
化工生产是以化学反应原理为依据，以实验室研究为基础的。任何生产的完成都要符合化学反应规律。对于某一具体的化工产品，研究生产过程要从产品的化学组成和性质考虑，来确定原料和生产路线。
案例：工业制硫酸的反应原理和生产路线。从H2SO4的组成看，原料应是自然界存在的硫黄或硫铁矿。反应过程为：S或FeS2→SO2→SO3→H2SO4。由此可确定生产过程可分为：第一步：以硫黄或硫铁矿为原料制备SO2（造气）；第二步：利用催化氧化反应将SO2氧化为SO3（催化氧化）；第三步：三氧化硫转化为硫酸（吸收）。
2．生产中原料的选择
在工业生产中，选择原料除依据化学反应原理以外，还有许多因素要考虑，如厂址选择、原料、能源、工业用水的供应能力、存贮、运输、预处理成分及环境保护等。
案例：虽然用硫黄制硫酸的装置优于黄铁矿制硫酸的装置，且硫黄制硫酸比黄铁矿制硫酸生产流程短，设备简单，三废处理量小，劳动生产率高，易于设备大型化等。但由于我国硫资源缺乏，黄铁矿储量比天然硫黄要大，所以我国主要是以黄铁矿为原料制硫酸。
3．生产中反应条件的控制
在工业生产中，常常涉及可逆反应，因此要根据平衡移动原理和化学反应速率原理来选择合适的反应条件，使制备反应进行得尽可能地快，并且反应物的转化率尽可能的高。在实际生产中还要考虑控制某些化学反应条件的成本和实际可能性，因此转化率的高低不是唯一要考虑的因素。
4．生产中的三废的处理
三废处理或将三废消灭于生产过程中，是近年来化工技术发展的方向之一。
（1）尾气处理
硫酸工业生产的尾气中含有少量的SO2，可用石灰水吸收，使其生成CaSO3，然后再用硫酸处理，生成SO2和CaSO4。
化学方程式为：SO2+Ca(OH)2==CaSO3+H2O CaSO3+H2SO4==CaSO4+SO2↑+H2O。
（2）污水处理
Ca(OH)2+H2SO4==CaSO4+2H2O
（3）废渣利用
5．能量的充分利用
硫酸生产过程中要消耗大量的能量。例如，开动机器设备（矿石粉碎机、运输装置、鼓风机、泵等）需要电能，维持接触氧化适宜的温度（400～500℃）需要热能。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以降低生产成本。例如，在沸腾炉旁设置“废热”锅炉，产生的蒸气可用来发电；在催化反应室中设热交换装置，利用SO2氧化为SO3时放出的热来预热即将参加反应的SO2和O2，使其达到适宜的反应温度。据测算，生产1 t硫酸约需消耗100 kW·h的电能，而相应量反应物在生产过程中放出的反应热相当于200 kW·h的电能。以上资料显示：硫酸生产中如能充分利用“废热”，则不仅不需要由外界向硫酸厂供应能量，而且还可以由硫酸厂向外界输送大量的能量。
要点三、硫酸工业制备中的知识储备
1．FeS2中硫元素的化合价
从化合价定则推知，FeS2中铁为+2价，硫为―1价。但在已知硫元素的各种价态中，只有―2价、0价、+4价、+6价，并不存在―1价。这里根据化合价定则求算出的硫元素的“化合价”，实际上是硫元素在该化合物中
的氧化数。所谓氧化数是指元素一个原子在外观或形式上所带的电荷。FeS2的电子式为 ，两个硫
原子之间形成一对共用电子对，由于两个相同的硫原子吸收电子的能力相同，该电子对不发生偏移，而是居于两个硫原子的正中央，两个硫原子都不显电性。但每个硫原了和铁原子结合时，一个硫原子获得铁原子供给的一个电子，而带一个单位负电筒，故在FeS2中每个硫原子在外观或形式上带有一个单位负电荷，所以FeS2中硫元素的氧化数为－1。由于中学化学里不要求氧化数的概念，可以通俗地认为FeS2中硫元素的“化合价”为－1价。当然也可以把（S2）看做是一个整体，称为过硫团，可以认为过硫团（S2）显－2价。
2．煅烧硫铁矿的化学方程式中电子转移方向和总数的标法
单线桥法：
4FeS2+11O22Fe2O3+8SO2
或
4FeS2+11O22Fe2O3+8SO2
若用双箭号法标电子转移方向和总数，则为：
4FeS2+11O22Fe2O3+8SO2
还原剂为FeS2，氧化剂为O2，氧化产物为Fe2O3和SO2，还原产物为Fe2O3和SO2。本质是0价的O元素氧化了+2价的Fe和－1价的S元素，参加反应的三种元素均参加了氧化还原反应。
3．常见问题整理
A、工业上接触法制硫酸中为什么要先将黄铁矿粉碎？
答：该做法是为了增大反应物之间的接触面积，因为反应物之间的接触面积越大，反应速率就越快，制H2SO4时把黄铁矿石粉碎，并在沸腾炉中燃烧，从而加快反应的进行，燃烧也充分。
B、为什么把燃烧黄铁矿的炉子叫沸腾炉？为什么用这种炉子？
答：这是因为矿粒燃烧的时候，从炉底通入强大的空气流，把矿粒吹得在炉内一定空间里剧烈翻腾，好像“沸腾着的液体”一样。因此，人们把这种炉子叫沸腾炉。
矿粒在这种沸腾情况下，跟空气充分接触，燃烧快，反应完全，提高了原料的利用率。
C、黄铁矿在沸腾炉里燃烧时，为什么要向炉中鼓入过量的空气（氧气）？
师答：生产上，常使其一反应物的用量（浓度）超过反应所需的量。过量的那种反应物往往是原料中比较易得且价钱比较便宜的。因而能使较贵重的原料更充分利用。在焙烧黄铁矿石制造硫酸时，采用过量的空气使黄铁矿充分燃烧，就是一例。
D、逆流原理在接触法制硫酸过程中有哪些具体的作用？
师答：在化工生产中，相互作用的物料，往往采用逆流的方法，如用质量分数为98.3％的硫酸吸收三氧化硫，液体和气体的流向是相反的，液体由吸收塔顶部淋下，气体由下向上，使作用更完全。在热交换中，冷的和热的气体（或液体），都是采用逆流的方法进行热量交换的。硫酸工业中，接触室内使用热交换器，使未进入接触室的SO2和O2得以预热，有利于SO2的转化；从接触室里出来的SO3。得以降温，减少了SO3的分解。
E、为什么通入接触室的混合气体必须预先净化？如何净化？
师答：从沸腾炉里出来的炉气中，除SO2、O2、N2外，还有水蒸气，有如含砷、硒等的化合物杂质及矿尘，杂质和矿尘会使催化剂失去活性而中毒，水蒸气会跟SO2、SO3形成酸雾，腐蚀管道设备，因此通入接触室的混合气体预先净化。
F、什么是热交换过程？
师答：通过热交换器把反应时生成的热，传递给进入接触室的需要预热的混合气体，并冷却反应后生成的气体。像这样传递热量的过程就是化学工业上常用的热交换过程。
G、吸收SO3为什么不直接用水或稀H2SO4，而是用98.3％的硫酸？
师答：这是因为用水或稀H2SO4作吸收剂时，容易形成酸雾，吸收速度慢且吸收不充分，而用98.3％的硫酸作吸收剂，则在吸收过程中不形成酸雾，吸收速率快且吸收充分，有利于SO3的吸收。
4．发烟硫酸、纯硫酸、浓硫酸、稀硫酸有何区别和联系？
将SO3气体溶解在浓硫酸中所成的溶液称为发烟硫酸。发烟硫酸暴露在空气中时，挥发出的SO3气体和空气中的水蒸气形成硫酸的小液滴而发烟。发烟硫酸的脱水性、吸水性和氧化性都比浓硫酸更强。在硫酸工业上常用98.3％的硫酸来吸收SO3得到发烟硫酸，再用92.3％的硫酸来稀释发烟硫酸，得到市售的98.3％的硫酸。
纯硫酸是无色油状液体，100％的纯硫酸几乎不导电。加热纯硫酸放出SO3直至酸的浓度降低至98.3％，此时沸点为338℃，再继续加热，硫酸的浓度不变，所以不能用蒸发的方法得到无水硫酸。
市售的浓硫酸一般含有H2SO4为96％～98％，比重为1.84g·mL－1，相当于18 mol·L－1。具有强烈的吸水性、氧化性、脱水性。能把铁、铝钝化。
通常用来制取氢气的稀硫酸其浓度约为3～4 mol·L－1，且具有酸的通性，无吸水性、脱水性，能和铁、铝剧烈反应放出H2。
【典型例题】
类型一：硫酸的制备原理及生产工艺
例1 有关接触法制硫酸的叙述，其中正确的是（ ）
A．用硫黄或硫铁矿均可作为原料
B．尾气含二氧化硫，不需处理即可排入空气
C．送进沸腾炉的矿石不需粉碎，燃烧黄铁矿应不断添加燃料
D．接触室中的热交换器的作用是冷却沸腾炉出来的炉气
【思路点拨】净化过程：炉气→除尘（除矿尘）→洗涤（除砷、硒等的化合物）→干燥（除水蒸气）→SO2、O2、N2。
【答案】A
【解析】接触法制硫酸，关键是将SO2与O2通过催化剂（V2O5）的作用，接触氧化为SO3，至于获得SO2，可以将硫燃烧而得，也可以煅烧硫铁矿（主要成分是FeS2）而得，所以A说法正确。尾气中是含有SO2，会污染大气。块状矿石不易燃烧，故必须粉碎。从化工生产原理上讲叫做增大反应物接触面积，有利于加快化学反应速率。另外硫铁矿燃烧过程是放热的，所以点燃以后不需添加燃料。接触室中的热交换器的作用是加热进入接触室的SO2和O2混合气体，同时冷却反应后生成SO3等气体，而沸腾炉出来的炉气在进入接触室前因净化等处理早已冷却。
【总结升华】明确工业制硫酸的原料、反应设备及原理、尾气处理方法。注意总结工业制备类要点，横向总结，纵向对比。
例2 固体A、B都由两种相同的元素组成，在A、B中两元素的原子个数比分别为1∶1和1∶2，将A、B在高温时煅烧，产物都是C（s）和D（g）。由D最终可制得E，E是非金属元素显+6价的含氧酸，该非金属元素形成的单质通常是一种淡黄色晶体，E的稀溶液和A反应时生成G（g）和F（aq），G通入D的水溶液，有淡黄色沉淀生成。在F中滴入溴水后，加入KOH溶液有红褐色沉淀生成，加热时又能转变为G。根据上述事实回答：
（1）A的化学式是________，B的化学式是________。
（2）写出下列反应的化学方程式：
①B煅烧生成C和D________________。
②G通入D溶液中________________。
③向F中滴入溴水________________。
【思路点拨】审题时，注意题目中的“非金属元素显+6价的含氧酸”、“该非金属元素形成的单质通常是一种淡黄色晶体”均可做为本题中的突破口。
【答案】（1）A为FeS，B为FeS2
（2）①4FeS2+11O22Fe2O3+8SO2
②2H2S+H2SO3==3S↓+3H2O
③6FeSO4+3Br2==2Fe2(SO4)3+2FeBr3
【解析】解答这道题的关键在于推出组成固体A和B的两种元素。
第一步：根据E是非金属元素显+6价的含氧酸且该非金属元素形成的单质，通常是一种淡黄色固体，所以E是H2SO4。
第二步：A（或B）C+D，D最终制得E，E+A→G↑+F，G+D→淡黄色沉淀。该淡黄色沉淀必为S，进一步验证E为H2SO4，A和B中均含S元素。
第三步：F红褐色沉淀C，该红褐色沉淀必为Fe(OH)3，因此C为Fe2O3，F为含Fe2+的溶液，A和B中均含Fe元素。
【总结升华】注意总结常见元素及其化合物的特征现象及特征反应，以此做为推断题的突破口，迅速有效的解答题目。
举一反三：
【变式1】在硫酸工业中，通过下列反应使SO2转化为SO3：
2SO2 (g)+O2 (g)2SO3 (g)；ΔH=―196.6 kJ·mol―1
（1）该反应在________（设备）中进行，这种生产硫酸的方法叫做________________。
（2）在实际生产中，操作温度选定400～500℃，是因为________________。
（3）硫酸工业选定压强通常采用________，作出这种选择的依据是________________。
【答案】（1）接触室；接触法。（2）温度较低时催化剂活性不高，反应速率慢，温度过高，SO2转化率会降低。（3）常压；在常压及400～500℃时，SO2转化率已经很高，若加压则会增加设备、增加投资和能量消耗。
例3（2019 江西检测）石膏也可用于工业生产二氧化硫，进而生产硫酸。天然石膏的化学式为CaSO4·2H2O。将天然石膏脱水后，第2步化学反应就可制得二氧化硫。
（1）写出第1步反应的化学方程式________。
（2）在第2步化学反应中，下列原料可以使用的是（用序号填空）________，写出有关化学反应的方程式________。
①空气 ②氧气 ③硫酸 ④焦炭
（3）在第2步化学反应中，可能会排入空气中的气态污染物是________，它（或它们）的主要危害是________。
【思路点拨】书写化学方程式是本题的难点，但是抓住题中的关键提示信息就能轻易化解。
【答案】（1）CaSO4·2H2OCaSO4+2H2O
（2）④ 2CaSO4+C2CaO+2SO2↑+CO2↑
（3）二氧化硫和一氧化碳 二氧化硫导致酸雨，一氧化碳使人中毒
【解析】在CaSO4→SO2的变化中硫元素被还原，所以要使用还原剂（焦炭）。焦炭的氧化产物中有可能含有一氧化碳。
【总结升华】此法与由硫黄或硫铁矿为原料制SO2相比，缺点是制备过程有复杂的两步，而且产生SO2导致酸雨，CO使人中毒。由于我国的天然硫黄资源缺乏，而且开采条件比较复杂，用硫黄制硫酸的原料多需进口，用硫黄制硫酸的成本高于用黄铁矿制硫酸，由于我国黄铁矿的储量比天然硫黄大，今后的发展趋势应是以黄铁矿为原料生产硫酸。
举一反三：
【变式1】（2019 北京海淀）硫酸最古老的生产方法是把绿矾装入反应器中加强热，会流出油状液体，并放出有刺激性气味的气体（SO2），反应器中的固体变为红色。
（1）写出这种方法中绿矾转化为硫酸的两个化学反应方程式：
①________；
②________。
（2）与现代以硫黄为主要原料生产硫酸的方法相比，这种古老的生产硫酸的方法存在若干不足，试从原料的利用率、环境保护、生产原理等方面加以说明。
【答案】（1）①FeSO4·7H2OFe2O3+SO2↑+SO3↑+7H2O ②SO3+H2O==H2SO4 （2）FeSO4·7H2O中的硫元素仅有50％转化为SO3，原料利用率低，生成的SO2污染环境，反应中易形成硫酸酸雾。
【解析】绿矾的组成为FeSO4·7H2O，其中铁的化合价是+2、硫的化合价是+6。题中指出，加强热后容器内生成了红色固体，这说明有Fe2O3，生成。在FeSO4·7H2O→Fe2O3的变化中铁元素被氧化，则必有+6价的硫元素被还原。在此基础上，运用质量守恒原理和氧化还原反应原理进行分析判断，即可写出FeSO4·7H2O→Fe2O3的完整的化学方程式。
类型二：工业制硫酸的有关计算
例4 在一定条件下可发生反应：2SO2 (g)+O2 (g)2SO3 (g)。现取3 L SO2和6 L O2混合，当反应达到平衡后，测得混合气体的体积减小10%。求：
（1）SO2的转化率。
（2）平衡混合气体中SO3的体积分数。
【思路点拨】解答有关计算时，注意气体摩尔体积及阿伏加德罗定律的应用：同温同压下，相同体积的任何气体必然含有相同数目的分子。
【答案】（1）60% （2）22.2%
【解析】（1）2SO2 + O2 2SO3 Δn
2 1 2 1
Δn (SO2) (3+6)×10%
Δn (SO2)=1.8
SO2转化率
（2）。
【总结升华】在涉及工业制备的计算时，经常涉及到多步反应，注意此类习题转化率、产率等问题。
举一反三：
【变式1】反应2SO2 (g)+O2 (g)2SO3 (g)（正反应为放热反应）在不同温度或不同压强（p1＞p2）下达到平衡时，混合气体中SO2的体积分数a%随温度和压强的变化曲线正确的是（ ）
【答案】D （点拨：正反应是放热反应，且是体积减小的反应，随温度升高，a%增大，随压强增大，a%减小。）
【巩固练习】
一、选择题
1．接触法制硫酸中，与之无关的设备是（ ）
A．吸收塔 B．接触室 C．沸腾炉 D．氧化炉
2．为了提高SO2转化为SO3的质量分数，工业上常使用适当过量的空气，这样从接触室导出的气体的成分是（ ）
A．SO3、O2 B．SO3、O2、SO2、N2 C．SO3、N2 D．SO3、O2、N2
3．把1 g含脉石（SiO2）的黄铁矿样品在氧气流中灼烧，反应完全得残渣0.78 g，则此黄铁矿中含FeS2的质量分数为（ ）
A．33% B．66% C．78% D．88%
4．（2019 南京检测）在硫酸的工业制法中，下列生产操作与说明生产操作的原因二者都正确的是（ ）。
A．黄铁矿燃烧前需将矿粒粉碎，这样易于向沸腾炉中投料
B．炉气进入接触室之前需要净化、干燥，因为炉气中的杂质易与SO2反应
C．SO2氧化为SO3时需使用催化剂，这样可提高SO2的转化率
D．接触室的反应温度控制在400～500℃，因为在这个温度范围内，反应速率和SO2的转化率都比较理想，且催化剂的活性也较高
5．用硫铁矿生产硫酸的过程中，对提高效率不利的因素是（ ）
A．矿石粉碎后送入沸腾炉 B．使用热交换器预热气体
C．用水吸收三氧化硫 D．使用催化剂
6．接触法制硫酸时由沸腾炉产生的炉气中能使催化剂中毒的成分是（ ）
A．水蒸气 B．砷、硒的化合物 C．氧气 D．氮气
7．在硫酸工业中，常用浓H2SO4而不用水吸收SO3是因为（ ）
A．SO3易溶于H2SO4而不溶于水
B．用浓H2SO4吸收速度慢，损失SO3少
C．用水吸收易形成酸雾，阻碍SO3再吸收
D．用水吸收得不到纯净的硫酸
8．（2019 北京海淀）下列对硫酸生产中化学反应原理的分析正确的是（ ）。
A．硫酸生产中涉及的三个化学反应因原料的不同可能全部是氧化还原反应
B．硫酸生产中涉及的三个化学反应都是放热反应
C．硫酸生产中涉及的三个化学反应都需要使用催化剂
D．硫酸生产中涉及的三个化学反应都需要在较高温度条件下进行
9．“绿色化学”是人们最近提出的一个新概念，主要内容之一是指从技术、经济上设计一种可行的化学反应，尽可能减少对环境的负面作用，下列化学反应符合绿色化学概念的是( ) A、制CuSO4：Cu＋2H2SO4（浓）＝CuSO4＋SO2↑＋2H2O B、制CuSO4：2Cu＋O2＝2CuO；CuO＋H2SO4（稀）＝CuSO4＋H2O C、制Cu(NO3)2：3Cu＋8HNO3（稀）＝3Cu(NO3)2＋2NO2↑＋4H2O D、制Cu(NO3)2：Cu＋4HNO3（浓）＝Cu(NO3)2＋2NO2↑＋2H2O
10．对于反应4FeS2+11O22Fe2O3+8SO2，下列叙述正确的是（ ）
A．铁和硫两种元素被还原
B．Fe2O3和SO2都既是氧化产物，又是还原产物
C．1 mol FeS2在反应中失去11 mol e―
D．如果O2过量，SO2会被氧化成SO3
二、填空题
1．2SO2 (g)+O2 (g)2SO3 (g)；ΔH=―196.6 kJ·mol―1，相同条件下混合1 mol SO2、0.5 mol O2反应，测得反应放出的热量总是小于98.3 kJ，其原因是________________。
2．在一体积可变的密闭容器中，对可逆反应A (g)+B (g)2C (g)；ΔH＜0进行5次实验，数据如下表，根据下表中提供的数据判断当反应达到平衡时：
（1）第________次实验结果，A的转化率最大；
（2）第________次实验结果，A的浓度最大；
（3）第________次实验结果，正反应速率最大。
实验
次数
起始浓度／（mol·L－1）
反应条件
A
B
C
温度／℃
压强／Pa
催化剂
①
1
5
0
200
1.01×106
有
②
1
5
0
200
1.01×105
有
③
1
1
0
200
1.01×106
有
④
1
5
0
20
1.01×105
无
⑤
1
1
0
20
1.01×105
无
3．针对硫酸工业，回答问题： (1)在进行接触氧化前，为什么要对炉气进行净化和干燥？ (2)根据化学平衡理论，考虑综合经济效益，SO2的接触氧化应在什么条件下进行最为有利？
4．（2019 孝感、宜昌等七市联考）硫酸是重要的化工原料，它的产量衡量了一个国家的工业发展水平。工业生产硫酸时，利用催化氧化反应将SO2转化为SO3是一个关键步骤。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SO2：7％，O2：11％，N2：82％，）。根据信息回答下列问题：
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
（1）工业制硫酸时发生此反应的设备是________。
（2）已知SO2的催化氧化反应是放热反应，如何利用表中数据推断此结论？________。
（3）在400～500℃，SO2的催化氧化采用常压而不是高压，主要原因是________。
（4）为提高SO3的吸收率，实际生产中用________吸收SO3。
（5）在此反应前必须对原料气进行净化的原因是________。
（6）已知2SO2 (g)+O2 (g) 2SO3 (g) ΔH=－196.61 kJ／mol
每生产2000 t 98％硫酸所需要的SO3的质量为________t，由SO2生产这些SO3所放出的热量为________kJ。
【参考答案与解析】
一、选择题
1．D
【解析】二氧化硫氧化为三氧化硫的设备叫做接触室
2．B
【解析】SO2氧化为SO3的反应为可逆反应，空气中的N2不参加反应
3．B
【解析】用差量法计算
4．D
【解析】黄铁矿进入沸腾炉之前需粉碎的原因是为了增大矿粒与空气的接触面积，使其燃烧得更快、更充分，从而提高黄铁矿的利用率；从沸腾炉出来的炉气必须净化、干燥，是因为炉气中的一些杂质气体会使接触室中的催化剂中毒，使催化剂丧失活性，同时防止炉气中的水蒸气和SO2生成酸而腐蚀管道；SO2转化为SO3时使用催化剂是为了缩短达到平衡的时间，但它并不影响化学平衡的移动，并不影响SO2的转化率大小；接触室控制反应的温度在400～500℃，这是综合考虑了催化剂活性、反应速率及SO2的转化率等因素而确定的，故A、B、C三项与题意要求不符，D项符合。
5．C
【解析】用水吸收三氧化硫会形成酸雾，影响吸收效率
6．B
7．C
【解析】用浓H2SO4而不用水吸收SO3是防止形成酸雾
8．B
【解析】无论是以硫黄为原料，还是以黄铁矿为原料，三个化学反应都是放热反应；三个反应中只有SO2→SO3需使用催化剂；SO3→H2SO4在常温下进行，且是非氧化还原反应。
9．B
10．BC
【解析】铁和硫的价态均升高被氧化，A项错；SO2被氧化成SO3要在催化剂和高温条件下才能实现，D项错
二、填空题
1．如果1 mol SO2与0.5 mol O2完全反应全部转化为1 mol SO3，则放出热量为98.3 kJ。此反应为可逆反应，1 mol SO2不可能与0.5 mol O2完全反应，则放出热量小于98.3 kJ。
2．（1）④ （2）③ （3）①
3．(1) 防止催化剂中毒。 (2) 400℃～500℃，常压并在催化剂作用下。
4．（1）接触室
（2）压强一定时，温度升高，SO2的转化率下降，说明升温有利于向逆反应方向进行，所以正反应为放热反应
（3）增大压强对提高SO2的转化率无显著影响，反而会增加成本
（4）98.3％的浓H2SO4
（5）防止催化剂中毒
（6）1.6×103 1.966×109
【解析】（1）此题考查工业生产硫酸中在接触室发生的可逆反应：2SO2+O22SO3。通过表中数据分析在实际生产中，结合化学反应速率和化学平衡理论确定反应条件。（2）在压强一定时，温度升高，SO2的转化率减小，说明升温不利于反应向正方向进行，从平衡移动分析实际生产中应采用低温，但温度过低，反应速率又慢，不经济，因此最终选择400～500℃，此时催化剂活性高；（3）温度一定时，压强增大，SO2转化率会增大，但增大程度不大，这样成本高，不经济，因此最终选择常压；（6）依据化学方程式进行计算：
2SO2+O22SO3，SO3+H2O==H2SO4，有：
SO3 ～ H2SO4
80 98
m 2 000 t×98％
所以。
设放出的热量为Q，则有：
，得Q=1.966×109 kJ。