高中化学专题二从自然资源到化学品硫酸工业学案选修.docx

第三单元硫酸工业1掌握接触法制硫酸的化学原理，能写出各阶段反应的化学方程式和需要控制的反应条件，能依据反应的各个阶段说明生产中反应物和生成物之间的数量关系。2了解接触法制硫酸的生产工艺，了解各阶段反应的主要设备、工艺要求，结合反应原理理解各阶段生产条件控制的必要性与方法。浓硫酸也能泼出清明上河图？增城高级中学的化学老师黄秉均教学数十载，凭着扎实的化学知识和绘画功底，竟然用浓硫酸独创出一种“酸蚀版”的清明上河图，画中各类人物、小桥流水、街头商铺用硫酸勾画得惟妙惟肖。由于浓硫酸有强氧化性、吸水性、脱水性等特性，加上他深爱画画，功底比较扎实，于是他便一直琢磨着将两种自己都熟悉的事物联系起来。“我将浓硫酸稀释后，用毛笔蘸上，然后在木板上画画，之后用红外线灯反复加热，硫酸将木板内的水分子吸收后，颜色变得深浅不一。”黄秉均说，加热温度越高，颜色就越深，最后就达到如水墨画一样的效果了。一、接触法制硫酸的化学原理第一步：硫黄或硫铁矿的燃烧氧化。化学方程式为SO2SO2或者4FeS211O22Fe2O38SO2。第二步：二氧化硫的催化氧化。化学方程式为2SO2O22SO3。第三步：三氧化硫的吸收。化学方程式为SO3H2O=H2SO4。二、硫酸的生产工艺1硫黄或硫铁矿的燃烧从硫铁矿制造二氧化硫，是先将矿物粉碎，放入沸腾焙烧炉中，从该炉下部通入空气，在高温下鼓入炉中的空气把矿石小颗粒扬起，呈沸腾状燃烧氧化。硫铁矿沸腾焙烧得到的炉气中除了含有二氧化硫外，还含有多种杂质。这些杂质有的使催化剂中毒、失效，有的对反应设备有腐蚀作用，有的使制得的硫酸带色。所以，从沸腾焙烧炉出来的高温炉气需要经过冷却、除尘和酸洗。焙烧工序产生的矿渣和粉尘，经冷却增湿后，被送到钢铁厂作为炼铁原料。2二氧化硫的催化氧化精制得到的炉气补充空气后送入装有钒催化剂的接触室，氧化生成三氧化硫。二氧化硫的催化氧化是一个放热的可逆反应。反应在450 左右进行，有利于钒催化剂发挥催化作用。3三氧化硫的吸收三氧化硫进入吸收塔后用98.3%的硫酸吸收，得到浓硫酸或发烟硫酸。不用水来吸收三氧化硫是为了避免产生酸雾而降低吸收效率。三、硫酸工业的三废治理1废渣：硫铁矿沸腾焙烧产生的炉渣中含铁量大于45%，可以用于炼铁及制造硫酸铁、氧化铁红颜料等产品。2废液：用水洗涤、净化沸腾焙烧炉的炉气，产生废水。废水中主要含有微量硫酸、氟化物、铁离子、铅离子等，一般用石灰中和硫酸，形成氢氧化铁絮状沉淀可以吸附重金属离子使污水净化。3废气：由吸收塔排出的尾气中二氧化硫的含量如果超过500 LL1，就要加以处理后才能排出。处理的方法之一是用氨水洗涤烟气脱硫。思考讨论：如何用化学方程式表示用氨水洗涤吸收塔排出的尾气、用石灰处理洗涤沸腾焙烧炉的炉气所产生的废水的过程？提示：(1)吸收塔排出的尾气中的二氧化硫常用氨酸法吸收，即用氨水吸收尾气中低浓度的二氧化硫生成亚硫酸氢铵，然后再用浓硫酸处理，生成二氧化硫和硫酸铵。SO2NH3H2O=NH4HSO3SO22NH3H2O=(NH4)2SO32NH4HSO3H2SO4=(NH4)2SO42SO22H2O(NH4)2SO3H2SO4=(NH4)2SO4SO2H2O产生的二氧化硫可经过干燥重新用于制硫酸，也可经干燥后制成液态二氧化硫产品，硫酸铵作化肥。(2)用石灰处理洗涤炉气所产生废水的反应：先中和硫酸：Ca(OH)2H2SO4=CaSO42H2O；后与Fe3反应：3Ca(OH)2Fe2(SO4)3=3CaSO42Fe(OH)3；Fe(OH)3絮状沉淀可以吸附废水中的重金属离子，从而净水。一、硫酸工业三个反应原理(1)燃烧硫黄或硫铁矿制取SO2；(2)SO2在适当温度和催化剂作用下氧化成SO3；(3)SO3与水化合生成H2SO4。三个主要反应4FeS211O22Fe2O38SO22SO2O22SO3SO3H2OH2SO4三种原料硫铁矿(硫黄)、空气、98.3%的浓硫酸。三个生产阶段造气；接触氧化；SO3的吸收。三种主要设备沸腾炉；接触室；吸收塔。三种主要杂质矿尘；砷、硒等化合物；水蒸气。三种净化方法除尘；洗涤；干燥。接触氧化的三个适宜条件450 左右(催化剂活性较高)；常压；催化剂主要为V2O5。三废与处理废气(主要为SO2)：氨水洗涤；废水(主要含硫酸)：加石灰后排放等；废渣(含铁量较高)：炼铁等。计算涉及的三个关系式FeS22SO2；SO2SO3；SO3H2SO4。二、化工厂选址的主要因素化工厂厂址选择涉及原料、水源、能源、土地供应、交通运输、环境保护和市场需求等诸多因素，应对这些因素综合考虑，权衡利弊，才能作出合理的选择。一般应考虑下列因素：是否有市场需求；是否接近原料供应地；土地供应是否充足；水源是否充足；能源是否充足且廉价；交通运输是否方便；能否达到环境保护要求。上述这些因素必须在遵循科学原则的基础上，着重考虑综合经济效益，即要求最大限度地提高劳动生产率，降低成本，保护生态环境。三、硫酸工业实际生产中条件的选择1温度：根据平衡移动原理，应在低温下进行，但低温时催化剂的活性不高，反应速率低，实际生产中采用400500 的温度。2常压：根据平衡移动原理，应在高压下进行，但增大压强对SO2的转化率提高不大，且加压会增大成本和能量消耗，而常压下的转化率已很高，实际生产采用常压操作。3适当过量的空气：目的是提高SO2的转化率。知识点1 硫酸工业的生产原理【例题1】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硫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CSO2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400500 ，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解析：题中所提到的对硫酸工业采取措施的叙述都是正确的。但硫铁矿进入沸腾炉之前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，从而提高硫铁矿的利用率；从沸腾炉出来的炉气必须净化干燥的目的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到达平衡的时间，但它并不能影响化学平衡的移动，并不影响SO2转化率的大小；接触室控制反应的温度在400500 ，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D项正确。答案：D点拨：本题考查的是接触法制硫酸的生产过程、反应原理、生产设备和一些生产措施在工业生产中的意义。要从最本质的角度分析实际操作的原因，以免被一些次要问题所迷惑。知识点2 硫酸工业生产中反应条件的控制【例题2】工业上生产硫酸时，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：SO27%，O211%，N282%)：(1)已知SO2的氧化是放热反应，如何利用表中数据推断此结论？_；(2)在400500 时，SO2的催化氧化采用常压而不是高压，主要原因是_；(3)选择适宜的催化剂，是否可以提高SO2的转化率？_(填“是”或“否”)，是否可以增大该反应所放出的热量？_(填“是”或“否”)；(4)为提高SO3吸收率，实际生产中用_吸收SO3；(5)已知：2SO2(g)O2(g)2SO3(g)H196.6 kJmol1，计算每生产1万吨98%的硫酸所需要的SO3的质量和由SO2生产这些SO3所放出的热量。解析：(1)根据表格中的数据可以看出，在相同压强下(如在0.1 MPa下)升高温度(如由400 升高到500 )时SO2的转化率降低(由99.2%降低为93.5%)，即升高温度时此化学平衡向逆反应方向移动，而升高温度化学平衡应该向吸热反应方向移动，所以此反应的正反应为放热反应。(2)根据表格中的数据可以得知：在0.1 MPa SO2的转化率已经很高，如在400 时已达99.2%，若增大压强到10 MPa，压强增大了100倍但是SO2的转化率增大为99.9%，只增大了0.7%，变化不大。而压强增大100倍，需要对设备的材料、动力、能源等都作相应的提高，即要增大成本投入。(3)使用催化剂只能改变化学反应的速率，改变反应到达平衡的时间，不能使化学平衡发生移动，即对SO2的转化率不产生影响；而在一定条件下，化学反应放出的热量与参加反应的反应物的量成正比，因SO2的转化率不变，所以反应放出的热量也不会增大。(4)在生产实际中是采用98.3%的浓硫酸作吸收剂来吸收SO3的。因为若用水进行吸收会形成酸雾，将影响SO3的吸收效率。(5)SO2SO3H2SO4反应热解得：m(SO3)8.0109 g8.0103 t，Q9.83109kJ。答案：(1)压强一定时，温度升高，SO2转化率下降，说明升温有利于逆反应进行，所以正反应为放热反应(2)增大压强对提高SO2转化率无显著影响，反而会增加成本(3)否否(4)浓硫酸(5)8.0103 t9.83109kJ点拨：化工生产条件的选择是理论联系生产实际的一个重点应用，在处理问题选择生产条件时既涉及外界条件对化学反应速率和化学平衡的影响，又会考虑生产实际问题。在备考复习时应对合成氨、二氧化硫催化氧化生产条件的选择充分理解、熟练掌握，并学会举一反三。知识点3 硫酸工业综合经济效益【例题3】分析下面两个案例并回答有关问题。(1)某城镇生产、生活的分布情况如图所示，河流中W、X、Y、Z处某次水样抽测结果如表所示。导致X、Y处水样pH变化的原因可能是_；Z处鱼类大量减少，产生这种现象的原因可能是_。(2)某地区已探明蕴藏有丰富的赤铁矿(主要成分为Fe2O3，还含有SiO2等杂质)、煤矿、石灰石和黏土。拟在该地区建设大型炼铁厂。随着铁矿的开发和炼铁厂的建立，需要在该地区相应建立焦化厂、发电厂、水泥厂等，形成有规模的工业体系。据此确定上图中相应工厂的名称A_、B_、C_、D_；以赤铁矿为原料，写出高炉炼铁中得到生铁和产生炉渣的化学方程式：_；从三废利用、环境保护等角度考虑，该地区和企业在生产中应采取的一些措施有(举出两种措施即可)_。解析：(1)从给出的数据看，X处水样呈碱性，Y处水样呈酸性，Z处水样缺氧。造纸厂排放的碱性污水使X处河水pH升高，火力发电厂净化烟气的酸性废水治理未达标就排放，造成Y处等的河水pH降低(或火力发电厂燃烧产生的SO2会导致酸雨的产生，使Y处等的河水pH降低)，化肥厂、农田及生活污水使Z处河水富营养化，水温较高，适于藻类等水生植物生长，河水中溶解氧被大量消耗，导致鱼类死亡。(2)某地区有丰富的煤矿可建立发电厂和焦化厂，有丰富的赤铁矿和石灰石可建立炼铁厂，有丰富的石灰石和黏土可建立水泥厂。高炉炼铁相关反应：Fe2O33CO2Fe3CO2、CaCO3SiO2CaSiO3CO2。从三废利用、环境保护等角度考虑，该地区和企业在生产中应建立污水处理系统，将石灰石煅烧成生石灰用于吸收发电厂和焦化厂燃煤时产生的SO2，减少对空气的污染。答案：(1)造纸厂排放的碱性污水使X处河水pH升高，火力发电厂净化烟气的酸性废水治理未达标就排放，造成Y处等的河水pH降低(或火力发电厂燃烧产生的SO2会导致酸雨，飘落后使Y处等的河水pH降低)化肥厂、农田及生活污水使Z处河水富营养化，水温较高，适于藻类等水生植物生长，河水中溶解氧被大量消耗，导致鱼类死亡(2)发电厂焦化厂炼铁厂水泥厂Fe2O33CO2Fe3CO2；CaCO3SiO2CaSiO3CO2用炼铁厂的炉渣(或CaSiO3)作为水泥厂的原料；用发电厂的煤矸石和粉煤灰作为水泥厂的原料；将石灰石煅烧成生石灰，用于吸收发电厂和焦化厂燃煤时产生的SO2，减少对空气的污染；建立污水处理系统(任选两种)点拨：本题考查了有关化学与环境保护的相关知识。关注有关化学与环境保护综合应用的相关命题。解答本题要将工业生产与化学反应原理相结合、将环境污染与实际生活相联系，注意创造性地利用化学知识解决实际问题。知识点4 硫酸工业中的多步计算题【例题4】某硫酸厂初步处理后的尾气中含0.2%的SO2和10%的O2(均为体积分数)。为了进一步除去SO2，并将SO2转变为(NH4)2SO4，有人设计了如下方案：在400 时，尾气以5 m3/h的速率通过V2O5的催化剂层后，与20 L/h速率的氨气混合喷水。此时气体温度由400 降至200 ，在热的结晶装置中得到(NH4)2SO4晶体(气体的体积已转为标准状况)。请回答下列问题：(1)按反应中的理论值，SO2和O2的体积比为21，但实际生产中这个比值是多少？为什么？(2)通过计算说明为什么尾气以5 m3/h的速率与20 L/h速率的氨气混合？(3)若该厂每天排放10 000 m3尾气，求该厂每月(按30天计算)可得到(NH4)2SO4的质量为多少？解析：(1)根据2SO2O22SO3，SO2和O2按21(体积比)的理论值反应，但实际上V(SO2)V(O2)0.2%10%150。根据化学平衡移动原理，增大廉价的氧气的浓度，可使反应向生成三氧化硫的方向移动，这样可以提高二氧化硫的转化率。(2)2NH3SO2 2 1 v(NH3) 51030.2% L/hv(NH3)20 L/h(3)根据2SO2O22SO3以及SO3H2O2NH3=(NH4)2SO4得关系式：SO22NH3(NH4)2SO4 22.4 L 132 g107 L0.2%30 m(NH4)2SO4m(NH4)2SO43.54106 g3.54 t答案：(1)见解析(2)见解析(3)3.54 t点拨：关于多步反应的计算方法有：(1)关系式法：先写出多步反应的化学方程式，然后找出反应物和生成物之间物质的量(或质量)之比，列出关系式，即可一步计算。(2)元素守恒法：找出主要原料和最终产物之间物质的量的对应关系。找出此关系的简便方法，就是分析原料与产物之间所含关键元素原子个数关系，如：FeS22H2SO4，SH2SO4。若已知(欲求)FeS2含量，用前面的关系式，若已知(欲求)S的含量，用后一关系式，且二氧化硫转化率、三氧化硫吸收率均可折算成起始物FeS2(或S)进行计算。1下列化工生产中所发生的主要化学反应，不涉及氧化还原反应的是()。A氯碱工业 B接触法制硫酸C制造普通玻璃 D工业合成氨解析：各选项涉及的主要反应为：A项，2NaCl2H2O2NaOHH2Cl2；B项，4FeS211O22Fe2O38SO2，2SO2O22SO3，SO3H2O=H2SO4；C项，SiO2Na2CO3Na2SiO3CO2；D项，N23H22NH3。答案：C2工业上以硫铁矿为原料制硫酸所产生的尾气除了含有N2、O2外，还含有SO2等对环境有较大影响的有害气体。能用于测定硫酸尾气中SO2含量的是()。ANaOH溶液、酚酞试液B石灰水、石蕊试液C碘水、淀粉溶液D氨水、酚酞试液解析：测定SO2含量必须要能跟SO2反应，而且可以用颜色变化来准确确定反应终点。A项和D项虽然能反应，但A在完全生成Na2SO3时溶液还是碱性，没变色，而D在SO2还没与氨水完全反应就开始变色了。石灰水中所含溶质较少，且石蕊试液的颜色变化不明显。答案：C3工业制硫酸生产流程如下图：(1)我国黄铁矿资源比较丰富，但很多工厂仍以硫黄为原料生产硫酸，理由是_。(2)在催化反应室，下列措施中有利于提高SO2平衡转化率的有_。A升高温度 B减小压强C不断补充空气 D及时分离出SO3(3)在生产中为提高催化剂催化效率采取了哪些措施？_。(至少答出两点措施)(4)已知2SO2(g)O2(g)2SO3(g)H196 kJmol1。在450 、常压和钒催化条件下向一密闭容器中充入2 mol SO2和1 mol O2，充分反应后，放出的热量_(填“”“”或“”)196 kJ，理由是_。(5)经检测生产硫酸的原料气成分(体积分数)为SO27%、O211%、N282%。在500 ，0.1 MPa条件下达到平衡时，各种气体的体积比为V(SO2)V(SO3)V(O2)V(N2)0.466.547.7382，则SO2的利用率约