Question

接触法制H₂SO₄的基本原理是：

    ①4FeS₂+11O₂2Fe₂O₃+8SO₂

    ②2SO₂+O₂  2SO₃

    ③SO₃+H₂O  H₂SO₄

    其中排放的尾气含少量SO₂，为防止污染大气，在排放前应设法进行综合利用。

    （1）某硫酸厂每天排放10000m³（换算成标准状况下体积）尾气中含0.2%（体积分数）的SO₂，问用NaOH溶液、石灰及氧气处理后，假设硫元素不损失，理论上可得到多少千克石膏（CaSO₄·2H₂O）？

    （2）如果将一定体积的尾气通入100mL2mol·L^-1的NaOH溶液使其完全反应，经测定所得溶液含16.7g溶质。试分析溶液的成分，并计算各成分的物质的量。

    （3）工厂在尾气处理制石膏的过程中，中间产物是NaHSO₃，调节尾气排放的流量，以取得SO₂和NaOH间物质的量的最佳比值，从而提高NaHSO₃的产量。现设n（SO₂）、n（NaOH）、n（NaHSO₃）分别表示SO₂、NaOH、NaHSO₃的物质的量，且=x,试写出x在不同取值范围时，n（NaHSO₃）的值或n（NaHSO₃）与n（SO₂）、n（NaOH）间的关系式。

x=n（SO2）/n（NaOH）	n（NaHSO3）

    提示：该题取材于接触法制硫酸的过程中对废气SO₂的处理，即消除了SO₂对空气的污染，又使SO₂得到综合利用。该题在能力要求上有一定的深度和坡度。第（1）步考查多步反应的计算，所发生的一系列反应较为复杂，但根据S元素守恒找出关系式，即可得出答案。第（2）步涉及平行反应中混合物的计算。反应方程式为2NaOH+SO₂  Na₂SO₃+H₂O;NaOH+SO₂  aHSO₃。根据题给条件，对上述反应运用极值假设法进行分析讨论。第（3）步考查计算题中范围讨论的基础知识，以及过量问题和平行反应的计算。

Answer 1

    

解析:

（1）设得CaSO₄·2H₂O的质量为y。

    根据S元素守恒有：

    SO₂      ～      CaSO₄·2H₂O

    22.4L               172g

    10⁴×10³×0.2%L?     y

    y=153.6kg

     （2）若溶质全为Na₂SO₃，则反应为

    2NaOH+SO₂  Na₂SO₃+H₂O

    m（Na₂SO₃）=126g·mol^-1×2×mol=12.6g

    若溶质全为NaHSO₃，则根据反应

    NaOH+SO₂  NaHSO₃

    m（NaHSO₃）=104g·mol^-1×2×0.1mol=20.8g

    由于20.8>16.7>12.6,所以溶质为Na₂SO₃和NaHSO₃的混合液。

    设混合物中NaHSO₃的物质的量为m,Na₂SO₃的物质的量为n。

    解法一：

    

    解之，得：m=0.1mol,?n=0.05mol

    解法二：用配平方程式计算

    （2n+m）NaOH+（m+n）SO₂  nNa₂SO₃+mNaHSO₃+nH₂O

    则有

    

    m=0.1mol    n=0.05mol

     （3）SO₂通入NaOH溶液时可能发生的反?应为

    2NaOH+SO₂  Na₂SO₃+H₂O（Ⅰ）

    NaOH+SO₂  NaHSO₃（Ⅱ）

    ①当x=≤时，反应按（Ⅰ）式进行，SO₂全部反应，生成物皆为Na₂SO₃,故n（NaHSO₃）=0。

    ②当x=≥1时，反应按（Ⅱ）式进行，NaOH全部反应，生成物全是NaHSO₃，有n（NaHSO₃）=n（NaOH）。

    ③当<x<1时，（Ⅰ）（Ⅱ）两个反应平行进行，NaOH与SO₂两物质均耗尽，生成NaHSO₃和Na₂SO₃的混合物。〔由（2）步的分析可有〕

    n（NaHSO₃）+2n（Na₂SO₃）=n（NaOH）    （Na⁺守恒）

    n（Na₂SO₃）+n（NaHSO₃）=n（SO₂）       （S守恒）

    解之,得n（NaHSO₃）=2n（SO₂）-n（NaOH）