2024-2025学年高中化学专题4硫氮和可持续发展第一单元第2课时硫酸的制备和性质学案苏教版必修1

PAGEPAGE11第2课时硫酸的制备和性质[核心素养发展目标]1.知道工业生产硫酸的基本原理及生产过程中原料的综合利用。2.熟知硫酸的化学性质和浓硫酸的特性。一、硫酸的制备工业上接触法制硫酸的主要设备及生产流程如下图：依据上图回答下列问题：(1)填写下列各进口或出口物质的名称：A含硫矿石(如FeS2)；B炉渣；C二氧化硫、氧气；D尾气(SO2、O2)。(2)接触法制硫酸分为三个阶段，填写下表：三原料硫黄或含硫矿石(硫铁矿)空气98.3%的浓H2SO4三阶段造气(生成SO2)接触氧化(生成SO3)SO3汲取(生成H2SO4)三设备沸腾炉接触室汲取塔三反应(均放热)S＋O2eq\o(=,\s\up7(点燃))SO2；4FeS2＋11O2eq\o(=,\s\up7(高温))2Fe2O3＋8SO22SO2＋O2eq\o(,\s\up7(催化剂),\s\do5(△))2SO3SO3＋H2O=H2SO4工业制硫酸的留意事项(1)在沸腾炉中煅烧黄铁矿时，要把矿石粉碎，目的是增大黄铁矿与O2的接触面积，使反应加快提高原料利用率。(2)炉气进入接触室前要净化，目的是除去炉气中的杂质，防止催化剂中毒及对设备造成不利影响。(3)接触室内运用热交换器的目的是利用SO2和O2反应放出的热量预热输入设备的气体，冷却反应后的气体。(4)在汲取塔内用98.3%的浓H2SO4汲取SO3而不是用水汲取的缘由是用水汲取SO3时，易形成酸雾，汲取速率慢，而用98.3%的浓H2SO4汲取SO3时，汲取SO3的速率快，不形成酸雾，汲取完全。例1在硫酸工业生产中，SO3的汲取过程是在汲取塔(如图)中进行的，汲取塔里还装入了大量瓷环。下列说法中不正确的是()A．从①处通入SO3，整个汲取操作实行逆流的形式B．从②处喷下98.3%的浓硫酸，瓷环的作用是增大接触面积C．从③处导出的气体只含有少量SO2，可干脆排入大气D．从④处流出的是可用水或稀硫酸稀释的浓硫酸答案C解析三氧化硫的汲取通常运用98.3%的浓硫酸，不用水或稀硫酸，缘由是水或稀硫酸汲取三氧化硫时简洁形成酸雾，汲取速率慢，不利于三氧化硫的汲取；气体的汲取常采纳逆流原理，这样有利于气、液的充分接触，汲取效果好；从汲取塔上部导出的气体是N2、没有起反应的O2和少量二氧化硫，干脆排入大气会污染环境，所以应用汲取剂汲取或循环运用。例2工业上制硫酸的设备分为三大部分：沸腾炉、接触室、汲取塔。下面的装置是仿照工请回答下列问题：(1)写出沸腾炉内煅烧硫铁矿的反应方程式：________________________________________________________________________。(2)上图中的乙、丙分别相当于工业上制取硫酸装置中的_____________、________________。(3)从乙装置中出来的气体有________________________________________________。(4)丙装置的作用为______________________，丁中的现象为________________。(5)本试验设计还存在的较明显缺陷是_____________________________________。答案(1)4FeS2＋11O2eq\o(=,\s\up7(高温))2Fe2O3＋8SO2(2)接触室汲取塔(3)SO2、O2、SO3(4)汲取SO3有酸雾产生(5)缺少尾气汲取装置解析乙装置相当于接触室，将SO2催化氧化为SO3，由于该反应是一个可逆反应，故从乙装置中出来的气体中含有SO2、O2、SO3；丙装置相当于汲取塔，用浓硫酸汲取SO3；丁装置是用水汲取SO3，SO3溶于水会放出大量的热，使水汽化为水蒸气，从而形成酸雾；本试验中缺少尾气汲取装置。二、浓硫酸的特性1．吸水性(1)浓硫酸可汲取空气或其他气体中的水蒸气、混在固体中的湿存水、结晶水合物中的结晶水。(2)常用盛有浓硫酸的洗气瓶干燥某些气体(如H2、Cl2、SO2等)，不能干燥碱性气体(如NH3等)和强还原性气体(如H2S、HI、HBr等)。2．脱水性(1)浓硫酸可使有机化合物中的氢、氧元素按水的组成从有机物中“脱离”出来，结合生成水分子。(2)浓硫酸脱水性试验如图所示：①现象：蔗糖渐渐变黑，体积膨胀，形成疏松多孔的海绵状固体，放出有刺激性气味的气体，品红溶液褪色。②结论：浓硫酸具有脱水性，且能氧化碳单质，同时自身被还原为二氧化硫。3．强氧化性(1)与金属铜的反应①试验现象：a试管中铜丝表面变黑，有气泡逸出；b试管中的品红溶液渐渐变为无色；c试管中的紫色石蕊溶液渐渐变为红色；冷却后，将a试管里的溶液渐渐倒入水中，溶液变为蓝色。②铜与浓硫酸反应的化学方程式：Cu＋2H2SO4(浓)eq\o(=,\s\up7(△))CuSO4＋SO2↑＋2H2O。(2)与铁、铝的反应常温下，铁、铝表面被浓硫酸氧化为致密的氧化膜而钝化，从而阻挡了酸与内层金属的进一步反应，所以常温下可以用铁、铝制容器来盛装浓硫酸。(3)与非金属的反应浓硫酸与木炭反应的化学方程式：C＋2H2SO4(浓)eq\o(=,\s\up7(△))CO2↑＋2SO2↑＋2H2O。浓硫酸的强氧化性(1)浓硫酸能与大多数金属反应，生成高价态金属的硫酸盐，本身一般被还原为SO2。但在常温下，浓硫酸能使铁、铝钝化。(2)浓硫酸可将碳、磷等非金属单质氧化成高价态的氧化物或含氧酸，本身被还原为SO2。例3下列关于浓硫酸的叙述正确的是()A．浓硫酸具有吸水性，因而能使蔗糖炭化B．蓝色胆矾晶体滴加浓硫酸时变为白色固体C．浓硫酸是一种干燥剂，能够干燥氨气、氢气等气体D．常温下，浓硫酸不与铁、铝反应，所以可以用铁、铝制容器盛装浓硫酸答案B解析浓硫酸具有脱水性，使蔗糖中H、O元素以水的形式脱出，而使蔗糖炭化变黑，与吸水性无关，A错误；浓硫酸具有吸水性，能汲取胆矾晶体中的结晶水，可以使蓝色的胆矾晶体失水变为白色晶体，B正确；浓硫酸是一种酸，能和氨气反应，故不能干燥氨气，C错误；由于浓硫酸的氧化性很强，常温下，铁和铝的表面被氧化为致密的氧化膜，D错误。例4关于浓硫酸与铜的反应，下列叙述正确的是()A．在反应中，浓硫酸只表现出氧化性B．此反应属于复分解反应C．在反应中，浓硫酸既表现出氧化性，又表现出酸性D．每1mol铜参与反应就有2mol硫酸被还原，同时生成1mol二氧化硫答案C思维启迪(1)浓硫酸与金属反应时，既表现酸性又表现强氧化性，而与非金属反应时，只表现强氧化性。(2)浓硫酸与不活泼金属反应时，随着反应的进行，浓硫酸浓度变小，一旦变为稀硫酸，就不再与不活泼金属反应。(3)浓硫酸与活泼金属(如锌)反应时，起先浓硫酸表现其强氧化性，产生二氧化硫气体；当浓硫酸变为稀硫酸时，则产生的气体为氢气。1．浓硫酸与下列物质作用时，只表现强氧化性的是()A．蓝色硫酸铜晶体 B．木材炭化C．红热木炭 D．氧化铝答案C解析浓硫酸具有吸水性，能使蓝色硫酸铜晶体变为白色粉末；浓硫酸使木材炭化表现的是脱水性；浓硫酸与红热的木炭反应生成二氧化碳、二氧化硫和水，浓硫酸只表现其强氧化性；浓硫酸与氧化铝反应表现的是酸性。2．将浓硫酸渐渐滴入浓盐酸中，产生的现象是()A．产生黄绿色气体 B．冒白雾，混合物温度上升C．液体四溅，冒白烟 D．冒白雾，温度降低答案B3．下列关于浓硫酸的叙述不正确的是()A．浓硫酸能与金属、非金属单质反应，作氧化剂，被还原为二氧化硫B．浓硫酸可将铜、汞等金属氧化，生成高价态金属的硫酸盐C．浓硫酸可将碳、磷等非金属单质氧化成高价态的氧化物或含氧酸D．浓硫酸具有强氧化性，加热时浓硫酸能将铁、铝钝化答案D解析浓硫酸具有强氧化性，加热时能与金属单质(如铜、汞等)、非金属单质(如碳、磷等)反应，浓硫酸作氧化剂，被还原为二氧化硫，金属单质被氧化为金属高价态的硫酸盐，非金属单质被氧化为高价态的氧化物或含氧酸。常温下，浓硫酸能将铁、铝钝化。4．向50mL18mol·L－1的H2SO4溶液中加入足量的铜片，加热使之反应。则充分反应后，被还原的H2SO4的物质的量()A．小于0.45molB．等于0.45molC．在0.45mol和0.90mol之间D．大于0.90mol答案A解析依据反应：Cu＋2H2SO4(浓)eq\o(=,\s\up7(△))CuSO4＋SO2↑＋2H2O。若50mL18mol·L－1的H2SO4与铜完全反应，被还原的H2SO4的物质的量为0.45mol，而事实上，随着反应的进行，H2SO4的浓度渐渐变稀，铜与稀H2SO4不反应，故被还原的H2SO4的物质的量小于0.45mol。5．下图是某学校试验室从化学试剂商店买回的硫酸试剂标签上的部分内容，据此下列说法正确的是()硫酸化学纯CP500mL化学式：H2SO4相对分子质量：98密度：1.84g·cm－3质量分数：98%A．该硫酸的物质的量浓度为9.2mol·L－1B．1molZn与足量的该硫酸反应产生2g氢气C．能用铁制容器盛放该硫酸D．该硫酸稀释时应将水倒入盛有该酸的烧杯中并不断地用玻璃棒搅拌答案C解析此题考查浓硫酸和稀硫酸的不同点。据标签信息可得c＝eq\f(1000ρω,M)＝eq\f(1000×1.84g·cm－3×98%,98g·mol－1)＝18.4mol·L－1，可知此硫酸为浓硫酸；稀硫酸与Zn反应产生H2，浓硫酸与Zn反应不产生H2；可用铁器盛放浓硫酸，但不能盛放稀硫酸；浓硫酸稀释时由于放出大量的热，故应将浓硫酸渐渐注入盛水的烧杯中，并不断用玻璃棒搅拌。题组一硫酸的制备1．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，采纳了中间有热交换器的接触室(如图)，按此密闭体系中气体的流向，则在A处流出的气体含有()A．仅SO2 B．SO3、O2C．SO2、O2 D．SO2、SO3答案C解析A处流出的是已经过热交换器预热的原料气SO2和O2。2．在硫酸的工业制法中，下列生产操作与说明生产操作的主要缘由二者都正确的是()A．硫铁矿煅烧前要粉碎，因为大块硫铁矿不能燃烧B．从沸腾炉出来的气体只有SO2C．SO2氧化成SO3，SO2能全部转化为SO3D．SO3用98.3%的浓H2SO4汲取，目的是防止形成酸雾，以便使SO3汲取完全答案D解析将硫铁矿粉碎是使其增大与空气的接触面积，使燃烧更快、更充分，并不是大块硫铁矿不能燃烧；从沸腾炉出来的气体除SO2外，还有O2等；SO2转化为SO3为可逆反应，正、逆反应同时进行，故SO2不行能全部转化为SO3；SO3转化为H2SO4，若干脆用水汲取，会形成大量酸雾，导致SO3汲取不完全，工业生产中用98.3%的浓硫酸作为汲取剂，则不会出现酸雾，汲取SO3更充分。3．我国利用接触法制硫酸的第一步是在沸腾炉中煅烧黄铁矿：4FeS2＋11O2eq\o(=,\s\up7(高温))2Fe2O3＋8SO2。现有1g含脉石(SiO2)的黄铁矿(FeS2)样品，将其在氧气流中充分灼烧，反应完全后得0.78g残渣，则此黄铁矿的纯度是()A．33%B．66%C．78%D．88%答案B解析依据4FeS2＋11O2eq\o(=,\s\up7(高温))2Fe2O3＋8SO2Δm480320160x1g－0.78geq\f(480,x)＝eq\f(160,0.22g)，解得：x＝0.66g。题组二硫酸的性质4．向浓盐酸中加入浓硫酸时，会有白雾生成。下列叙述与该现象无关的是()A．浓硫酸具有脱水性B．浓硫酸具有吸水性C．浓盐酸具有挥发性D．气态溶质的溶解度随温度的上升而降低答案A解析浓硫酸加入浓盐酸中，浓硫酸汲取水分并放出大量的热，使溶液的温度上升，加快了HCl的挥发。5．下列气体既能用浓硫酸又能用碱石灰干燥的是()A．Cl2 B．COC．SO2 D．NH3答案B解析浓硫酸具有吸水性，常用作气体的干燥剂，但不能干燥碱性气体(如氨气)、某些还原性气体(如硫化氢、碘化氢、溴化氢等)；碱石灰(氧化钙和氢氧化钠的混合物)是一种常用的碱性干燥剂，不能干燥酸性气体(如二氧化碳、二氧化硫、氯气等)。6．下列有关H2SO4的叙述正确的是()A．浓H2SO4与铜片共热的反应中，浓H2SO4既表现出强氧化性，又表现出酸性B．浓H2SO4与金属活动性依次中氢后面的金属反应生成的气体一般为SO2，与氢前面的金属反应生成的气体一般为H2C．常温下，铁或铝不与浓H2SO4反应，所以可用铁或铝制的容器贮存浓H2SO4D．浓H2SO4是不挥发性强酸，氢硫酸是挥发性弱酸，所以可用浓H2SO4与FeS反应制取H2S气体答案A解析浓H2SO4与Cu片共热，反应的化学方程式为2H2SO4(浓)＋Cueq\o(=,\s\up7(△))CuSO4＋SO2↑＋2H2O，由反应式可知，若2molH2SO4参与反应，其中1molH2SO4作氧化剂，使Cu氧化，本身被还原为SO2，另外1molH2SO4起酸的作用，故A项正确；在浓硫酸中存在的是H2SO4分子，其分子中＋6价的硫易得到电子，它把金属氧化的同时本身被还原为硫的低价化合物SO2，即使是遇到活泼金属如Zn、Fe等也是如此，故B项错误；常温下铁或铝不是不与浓H2SO4反应，而是发生钝化，故C项错误；浓H2SO4有强氧化性，H2S有强还原性，前者能把后者氧化，得不到H2S气体，故D项错误。7．浓H2SO4在实现下列物质的转化过程中，既表现出氧化性，又表现出酸性的是()①Cu→CuSO4②C→CO2③FeO→Fe2(SO4)3④Fe2O3→Fe2(SO4)3A．①③ B．②④C．①④ D．②③答案A解析①正确，浓硫酸表现出强氧化性，将Cu氧化为Cu2＋，自身还原为SO2，同时生成了盐(CuSO4)，体现了浓硫酸的酸性；②只体现了浓硫酸的强氧化性；③既体现了浓硫酸的强氧化性，将＋2价Fe氧化为＋3价Fe，同时又生成了盐[Fe2(SO4)3]，体现了浓硫酸的酸性；④只体现了浓硫酸的酸性。8．试验室常用下图装置进行铜与浓硫酸反应的试验。下列有关试验现象的描述或试剂的选用错误的是()A．甲试管内溶液变为蓝色B．乙试管中品红溶液红色褪去C．棉花上喷入的溶液可能为氢氧化钠溶液D．棉花上喷入的溶液可能为饱和碳酸钠溶液答案A解析浓硫酸与铜反应生成硫酸铜、二氧化硫和水，因为浓硫酸具有强吸水性，甲试管中生成的硫酸铜为白色固体，而不是蓝色溶液；生成的二氧化硫有漂白性使品红溶液褪色；二氧化硫为酸性气体，可用碱性溶液(如氢氧化钠溶液或碳酸钠溶液等)汲取。9．在下图的试验装置中，试验起先一段时间后，对看到的现象叙述不正确的是()A．苹果块会干瘪 B．胆矾晶体表面有白斑C．小试管内有晶体析出 D．pH试纸变红答案D解析A、B、C项中浓硫酸显示吸水性，D项中浓H2SO4显示脱水性，使pH试纸变黑。题组三浓硫酸与稀硫酸的比较10．区分浓硫酸和稀硫酸，既简洁又牢靠的方法是()A．常温下与铜片反应B．与石蕊溶液反应C．用玻璃棒各蘸少许溶液涂在纸上D．加入锌片看是否有气体生成答案C解析常温下浓硫酸和稀硫酸都不能与Cu反应；锌与浓硫酸反应产生SO2，与稀硫酸反应产生H2，可以区分，但不是最简洁的方法；C项利用浓硫酸有脱水性而稀硫酸没有脱水性来区分两种溶液，较简洁。11．下列关于浓硫酸和稀硫酸的叙述中正确的是()A．常温时都能与铁发生反应，放出气体B．加热时都能与铜发生反应C．都能作为气体干燥剂D．硫元素的化合价都是＋6价答案D解析常温时浓硫酸使铁钝化；铜与稀硫酸常温柔加热时都不反应；浓硫酸有吸水性可以作干燥剂，稀硫酸不能作干燥剂。12．5mL物质的量浓度为18mol·L－1的硫酸中加入足量铜片并加热，充分反应。下列说法正确的是()A．有0.09mol的硫酸被还原B．有0.045mol的硫酸被还原C．充分反应后体系无硫酸剩余D．消耗的铜的质量肯定小于2.88g答案D解析浓硫酸与铜可发生氧化还原反应，而稀硫酸与铜不发生反应。浓硫酸与铜反应时，随着反应进行，硫酸渐渐消耗，其浓度也渐渐下降，当硫酸由浓变稀时反应就会停止。因此，参与反应的硫酸实际量要比理论计算值小。据题n(H2SO4)＝0.005L×18mol·L－1＝0.09mol，参与反应的硫酸n(H2SO4)＜0.09mol，被还原的硫酸小于0.045mol，参与反应的铜小于2.88g。13．试验证明铜在低温下不能和O2发生反应，也不能和稀硫酸共热发生反应，但工业上却是将废铜屑倒入热的稀硫酸中并不断地通入空气来制取CuSO4溶液。铜屑在此状态下发生的一系列化学反应的化学方程式为________________________________________________。利用铜和浓H2SO4在加热条件下也能制备CuSO4溶液，其化学方程式为_______________。以上两种方法哪种好？________，缘由是________________________________________。答案2Cu＋O2eq\o(=,\s\up7(△))2CuO、CuO＋H2SO4(稀)=CuSO4＋H2OCu＋2H2SO4(浓)eq\o(=,\s\up7(△))CuSO4＋SO2↑＋2H2O第一种方法好①制得相同质量的产品，第一种方法消耗的硫酸少；②其次种方法生成SO2，会造成大气污染；③第一种方法节约能源解析在稀硫酸存在的条件下，Cu与O2反应后的生成物快速溶解在热的稀硫酸中生成CuSO4；其次种方法是在加热条件下铜与浓硫酸反应，浓H2SO4会被还原为SO2，其利用率降低且生成的气体有毒。14．在化学课上，围绕浓硫酸的化学性质进行了如下试验探究，将适量的蔗糖放入烧杯中，加入几滴水，搅拌匀称，然后加入浓硫酸，生成黑色物质。请回答下列问题：(1)生成的黑色物质(单质)是________(填化学式)。(2)这种黑色物质接着与浓硫酸作用会产生两种气体，其中一种气体有刺激性气味，是大气的主要污染物之一，这种刺激性气味的气体成分是__________(填化学式)，反应的化学方程式为________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(3)据蔗糖与浓硫酸反应的试验现象，说明浓硫酸具有________(填字母)。A．酸性 B．吸水性C．脱水性 D．强氧化性答案(1)C(2)SO2C＋2H2SO4(浓)eq\o(=,\s\up7(△))CO2↑＋2SO2↑＋2H2O(3)BCD解析(1)因为浓硫酸具有脱水性，故蔗糖在浓硫酸中生成的黑色物质是蔗糖脱水后生成的碳单质。(2)因为浓硫