Question

12．硫酸工業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有極其重要的地位．
（1）工業(yè)制硫酸時(shí)所用硫鐵礦的主要成分為FeS₂，其中硫元素的化合物為-1．
（2）硫酸的最大消費(fèi)渠道是化肥工業(yè)，用硫酸制造的常見(jiàn)化肥有硫酸銨或硫酸氫銨或硫酸鋅或硫酸鉀（任寫(xiě)一種）．
（3）硫酸生產(chǎn)中，根據(jù)化學(xué)平衡原理來(lái)確定的條件或措施有D（填寫(xiě)序號(hào)）．
A．礦石加入沸騰爐之前先粉碎        B．使用V₂O₅作催化劑
C．轉(zhuǎn)化器中使用適宜的溫度          D．凈化后的爐氣中要有過(guò)量的空氣
E．催化氧化在常壓下進(jìn)行            F．吸收塔中用98.3%的濃硫酸吸收SO₃
（4）在硫酸工業(yè)中，通過(guò)下列反應(yīng)使二氧化硫轉(zhuǎn)化為三氧化硫：
2SO₂（g）+O₂（g）?催化劑2SO₃（g）△H=-98.3kJ•mol^-1
在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，常采用“二轉(zhuǎn)二吸法”，即將第一次轉(zhuǎn)化生成的SO₂分離后，將未轉(zhuǎn)化的SO₂進(jìn)行二次轉(zhuǎn)化，假若兩次SO₂的轉(zhuǎn)化率均為95%，則最終SO₂的轉(zhuǎn)化率為99.75%．
（5）硫酸的工業(yè)制法過(guò)程涉及三個(gè)主要的化學(xué)反應(yīng)及相應(yīng)的設(shè)備（沸騰爐、轉(zhuǎn)化器、吸收塔））．
①三個(gè)設(shè)備分別使反應(yīng)物之間或冷熱氣體間進(jìn)行了“對(duì)流”．請(qǐng)簡(jiǎn)單描述吸收塔中反應(yīng)物之間是怎樣對(duì)流的．
從接觸室中出來(lái)的熱氣體SO₂、O₂、N₂、SO₃，在吸收塔的底部進(jìn)入，從下向上運(yùn)動(dòng)；從吸收塔頂部噴灑冷的濃硫酸，從上向下運(yùn)動(dòng)；熱氣體SO₃與冷的濃硫酸相對(duì)流動(dòng)，進(jìn)行熱量交換．
②工業(yè)生產(chǎn)中常用氨-酸法進(jìn)行尾氣脫硫，以達(dá)到消除污染、廢物利用的目的．用化學(xué)方程式表示其反應(yīng)原理．（只寫(xiě)出2個(gè)方程式即可）SO₂+2NH₃•H₂O═（NH₄）₂SO₃、（NH₄）₂SO₃+H₂SO₄═（NH₄）₂SO₄+SO₂↑+H₂O．
（6）實(shí)驗(yàn)室可利用硫酸廠爐渣（主要成分為鐵的氧化物及少量FeS、SiO₂等）制備聚鐵和綠礬（FeSO₄•7H₂O），聚鐵的化學(xué)式為[Fe₂（OH）_n（SO₄）_3-0.5n]_m，制備過(guò)程如圖所示，下列說(shuō)法正確的是ABC．

A．爐渣中FeS與硫酸和氧氣的反應(yīng)的離子方程式為：4FeS+3O₂+12H⁺═4Fe³⁺+4S↓+6H₂O
B．氣體M的成分是SO₂，通入雙氧水得到硫酸，可循環(huán)使用
C．向溶液X中加入過(guò)量鐵粉，充分反應(yīng)后過(guò)濾得到溶液Y，再將溶液Y蒸發(fā)結(jié)晶即可得到綠礬
D．溶液Z的pH影響聚鐵中鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，若其pH偏小，將導(dǎo)致聚鐵中鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏大．

Answer 1

分析 （1）硫鐵礦的主要成分為FeS₂，其中硫元素化合價(jià)為-1價(jià)；
（2）硫酸的用途廣泛，化肥、醫(yī)藥、農(nóng)藥的生產(chǎn)，金屬礦石的處理，金屬材料的表面清洗等都要用到硫酸；
（3）化學(xué)平衡的適用范圍是可逆反應(yīng)，在工業(yè)接觸法制硫酸2SO₂+O_2?2SO₃為可逆反應(yīng)，化學(xué)平衡移動(dòng)的條件有：濃度、溫度、壓強(qiáng)．催化劑V₂O₅的作用是提高反應(yīng)速率，溫度控制在450℃左右，是根據(jù)使催化劑的活性最強(qiáng)確定，壓強(qiáng)采用常壓．因此根據(jù)化學(xué)平衡移動(dòng)原理來(lái)確定的條件只有濃度；
（4）轉(zhuǎn)化率：可逆反應(yīng)到達(dá)平衡時(shí)，某反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化濃度（等于某反應(yīng)物的起始濃度和平衡濃度的差）與該反應(yīng)物的起始濃度比值的百分比．可用以表示可逆反應(yīng)進(jìn)行的程度；
（5）沸騰爐中，黃鐵礦從頂部加入，空氣從底部通入，形成對(duì)流；接觸室中熱交換器內(nèi)部溫度高的氣體和外部溫度低的氣體形成熱量對(duì)流；吸收塔的氣體底部進(jìn)入，從下向上運(yùn)動(dòng)，冷的濃硫酸從吸收塔頂部噴灑，從上向下運(yùn)動(dòng)，形成流動(dòng)，進(jìn)行熱量交換；
（6）分析流程可知爐渣加入硫酸溶液同時(shí)通入氧氣得到固體W為氧化還原反應(yīng)生成的硫單質(zhì)和SiO₂等，溶液X為含有Fe³⁺離子的溶液，調(diào)節(jié)溶液PH得到溶液Z加熱得到聚鐵，溶液X中加入鐵反應(yīng)生成硫酸亞鐵溶液Y，蒸發(fā)結(jié)晶得到硫酸亞鐵晶體
A、爐渣中FeS與硫酸和氧氣反應(yīng)生成硫單質(zhì)硫酸鐵和水；
B、固體W灼燒得到氣體為二氧化硫；
C、溶液X中加入過(guò)量鐵粉，鐵和硫酸鐵溶液反應(yīng)生成硫酸亞鐵，通過(guò)蒸發(fā)濃縮，冷卻結(jié)晶，過(guò)濾析出得到綠礬；
D、若溶液Z的PH偏小，則聚鐵中生成的氫氧根的含量減少，使鐵的含量減少．

解答 解：（1）硫鐵礦的主要成分為FeS₂，其中鐵元素化合價(jià)為+2價(jià)，則依據(jù)元素化合價(jià)代數(shù)和為0得到硫元素化合價(jià)為-1價(jià)，
故答案為：-1；
（2）用硫酸制造的常見(jiàn)化肥有硫酸銨、硫酸氫銨、硫酸鋅、硫酸鉀等化肥，
故答案為：硫酸銨或硫酸氫銨或硫酸鋅或硫酸鉀；
（3）硫酸生產(chǎn)中，第二步：SO₃的制取反應(yīng)原理為：2SO₂+O₂ $\frac{\underline{催化劑}}{△}$2SO₃，該反應(yīng)為可逆反應(yīng)，根據(jù)化學(xué)平衡原理為了提高SO₂的轉(zhuǎn)化率，通常采用增大O₂濃度的方法來(lái)達(dá)到使SO₂盡可能多的轉(zhuǎn)化為SO₃的目的．
A．礦石加入沸騰爐之前先粉碎，目的是為了增大黃鐵礦與空氣的接觸面，加快4FeS₂+11O₂ $\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2Fe₂O₃+8SO₂ 反應(yīng)速率，而不是從2SO₂+O₂ $\frac{\underline{催化劑}}{△}$2SO₃ 反應(yīng)中化學(xué)平衡角度考慮，故A不正確；
B．使用V₂O₅作催化劑，催化2SO₂+O₂ $\frac{\underline{催化劑}}{△}$2SO₃ 反應(yīng)，只能加快該反應(yīng)的速率，不能使平衡移動(dòng)，故B不正確；
C．接觸室中催化轉(zhuǎn)化器使用適宜的溫度，目的是使催化劑活性最強(qiáng)，使反應(yīng)速率最快，而實(shí)際上升高溫度，會(huì)促使2SO₂+O₂ $\frac{\underline{催化劑}}{△}$2SO₃ 平衡向吸熱方向移動(dòng)，即逆向移動(dòng)，不利于提高SO₂的轉(zhuǎn)化率，故C不正確；
D．從沸騰爐中出來(lái)的氣體成分為SO₂、O₂、N₂，經(jīng)過(guò)凈化后，進(jìn)入接觸室，爐氣中要有過(guò)量的空氣，即增大O₂濃度，會(huì)促使2SO₂+O₂ $\frac{\underline{催化劑}}{△}$2SO₃ 平衡正向移動(dòng)，有利于提高SO₂的轉(zhuǎn)化率，故D正確；
E．接觸室中：2SO₂+O₂ $\frac{\underline{催化劑}}{△}$2SO₃，增大壓強(qiáng)促使平衡正向移動(dòng)（即氣體總體積減小的方向），減小壓強(qiáng)促使平衡逆向移動(dòng)（即氣體總體積增大的方向）．在常壓下，不利于平衡正向移動(dòng)，不利于提高SO₂的轉(zhuǎn)化率．對(duì)于該化學(xué)平衡，壓強(qiáng)的增大，促使平衡正向移動(dòng)，效果并不明顯，所以工業(yè)上直接采用常壓條件，而不采用高壓條件，故E不正確；
F．吸收塔中用98.3%的濃硫酸吸收SO₃，主要目的是防止產(chǎn)生酸霧，阻礙SO₃的吸收，與化學(xué)平衡移動(dòng)原理無(wú)關(guān)，故F不正確；
故答案為：D；
（4）設(shè)二氧化硫的初始濃度為a，則第一次轉(zhuǎn)化掉的二氧化硫濃度為a×95%，剩余的二氧化硫濃度為a×（1-95%），進(jìn)入第二次轉(zhuǎn)化，則第二次轉(zhuǎn)化掉的二氧化硫濃度為a×（1-95%）×95%
根據(jù)公式：轉(zhuǎn)化率═$\frac{消耗量}{起始量}$×100%
最終SO₂的轉(zhuǎn)化率═$\frac{a×95%+a（1-95%）×95%}{a}$×100%═99.75%
故答案為：99.75%；
（5）①?gòu)慕佑|室中出來(lái)的熱氣體SO₂、O₂、N₂、SO₃，在吸收塔的底部進(jìn)入，從下向上運(yùn)動(dòng)，從吸收塔頂部噴灑冷的濃硫酸，從上向下運(yùn)動(dòng)；熱氣體SO₃與冷的濃硫酸相對(duì)流動(dòng)，進(jìn)行熱量交換，
故答案為：從接觸室中出來(lái)的熱氣體SO₂、O₂、N₂、SO₃，在吸收塔的底部進(jìn)入，從下向上運(yùn)動(dòng)；從吸收塔頂部噴灑冷的濃硫酸，從上向下運(yùn)動(dòng)；熱氣體SO₃與冷的濃硫酸相對(duì)流動(dòng)，進(jìn)行熱量交換；
②工業(yè)生產(chǎn)中常用氨-酸法進(jìn)行尾氣脫硫，即先用氨水吸收，再用濃硫酸處理．
先用氨水吸收時(shí)，發(fā)生反應(yīng)：SO₂+2NH₃•H₂O═（NH₄）₂SO₃，再用濃硫酸處理時(shí)，發(fā)生反應(yīng)：（NH₄）₂SO₃+H₂SO₄═（NH₄）₂SO₄+SO₂↑+H₂O，以達(dá)到消除污染、廢物利用的目的．
故答案為：SO₂+2NH₃•H₂O═（NH₄）₂SO₃，（NH₄）₂SO₃+H₂SO₄═（NH₄）₂SO₄+SO₂↑+H₂O；
（6）分析流程可知爐渣加入硫酸溶液同時(shí)通入氧氣得到固體W為氧化還原反應(yīng)生成的硫單質(zhì)和SiO₂等，溶液X為含有Fe³⁺離子的溶液，調(diào)節(jié)溶液PH得到溶液Z加熱得到聚鐵，溶液X中加入鐵反應(yīng)生成硫酸亞鐵溶液Y，蒸發(fā)結(jié)晶得到硫酸亞鐵晶體
A、爐渣中FeS與硫酸和氧氣反應(yīng)生成硫單質(zhì)硫酸鐵和水，反應(yīng)的離子方程式為4FeS+3O₂+12H⁺═4Fe³⁺+4S↓+6H₂O，故A正確；
B、爐渣加入硫酸溶液同時(shí)通入氧氣得到固體W為氧化還原反應(yīng)生成的硫單質(zhì)和SiO₂等，固體W灼燒得到氣體為二氧化硫，通入雙氧水得到硫酸，故B正確；
C、溶液X中加入過(guò)量鐵粉，鐵和硫酸鐵溶液反應(yīng)生成硫酸亞鐵，通過(guò)蒸發(fā)濃縮，冷卻結(jié)晶，過(guò)濾析出得到綠礬，符合晶體析出步驟，故C正確；
D、用pH試紙測(cè)定方法為：將試紙放在表面皿上，用潔凈的玻璃棒蘸取待測(cè)液，點(diǎn)在試紙的中央，然后與標(biāo)準(zhǔn)比色卡對(duì)比．氫氧化鐵的含量比硫酸亞鐵高，若溶液Z的PH偏小，則聚鐵中生成的氫氧根的含量減少，使鐵的含量減少，故D錯(cuò)誤；
故答案為：ABC．

點(diǎn)評(píng) 本題考查的知識(shí)點(diǎn)多，主要是工業(yè)接觸法制硫酸的原理、反應(yīng)速率、轉(zhuǎn)化率、反應(yīng)的熱效應(yīng)、工業(yè)尾氣的處理、化學(xué)方程式書(shū)寫(xiě)等，只有掌握相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)，解題并不困難，題目難度中等．