题目内容

以黄铁矿为原料生产硫酸的工艺流程图如下：

（1）将燃烧黄铁矿的化学方程式补充完整
4+11O₂ $数学公式$ 2Fe₂O₃+8SO₂
（2）接触室中发生反应的化学方程式是．
（3）依据工艺流程图判断下列说法正确的是（选填序号字母）．
a．为使黄铁矿充分燃烧，需将其粉碎
b．过量空气能提高SO₂的转化率
c．使用催化剂能提高SO₂的反应速率和转化率
d．沸腾炉排出的矿渣可供炼铁
（4）每160g SO₃气体与H₂O化合放出260.6kJ的热量，该反应的热化学方程式是．
（5）吸收塔排出的尾气先用氨水吸收，再用浓硫酸处理，得到较高浓度的SO₂和铵盐．
①SO₂既可作为生产硫酸的原料循环再利用，也可用于工业制溴过程中吸收潮湿空气中的Br₂．SO₂吸收Br₂的离子方程式是．
②为测定该铵盐中氮元素的质量分数，将不同质量的铵盐分别加入到50.00mL相同浓度的NaOH溶液中，沸水浴加热至气体全部逸出（此温度下铵盐不分解），该气体经干燥后用浓硫酸吸收完全，测定浓硫酸增加的质量．
部分测定结果：
铵盐质量为10.00g和20.00g时，浓硫酸增加的质量相同；
铵盐质量为30.00g时，浓硫酸增加的质量为0.68g；铵盐质量为40.00g时，浓硫酸的质量不变．
计算：该铵盐中氮元素的质量分数是%；若铵盐质量为l5.00g，浓硫酸增加的质量为__．（计算结果保留两位小数）

解：（1）依据题意，黄铁矿是制硫酸的第一步所需的原料，由成分可知化学式为FeS₂，故答案为：FeS₂；
（2）沸腾炉中生成的二氧化硫气体和空气中的氧气在接触室内发生的催化氧化反应生成三氧化硫；2SO₂+O₂ $\text{[math]}$ 2SO₃ 故答案为：2SO₂+O₂ $\text{[math]}$ 2SO₃；
（3）粉碎矿石增大接触面积提高反应速率；增加空气的量会使平衡正向进行，提高了二氧化硫的转化率；催化剂只改变速率不改变平衡，不改变转化率；生产过程中的矿渣中含有三氧化二铁；所以正确的是abd；故答案为：abd；
（4）每160g SO₃气体物质的量为2mol；与液态H₂O化合放出260.6kJ的热量，1mol三氧化硫和水反应放热130.3KJ；热化学方程式为：SO₃（g）+H₂O（l）=H₂SO₄（l）；△H=-130.3kJ/mol
故答案为：SO₃（g）+H₂O（l）=H₂SO₄（l）；△H=-130.3kJ/mol；
（5）①SO₂吸收Br₂的反应中二氧化硫被氧化为硫酸，溴单质被还原为溴化氢，离子方程式为SO₂+Br₂+2H₂O=4H⁺+2Br^-+SO₄^2-，故答案为：SO₂+Br₂+2H₂O=4H⁺+2Br^-+SO₄^2-；
②从吸收塔出来的气体用一定量氨水吸收，得到的铵盐产品是（NH₄）₂SO₃和NH₄HSO₃的混合物；本反应历程是：OH^-首先是和NH₄HSO₃中的H⁺反应，随后有多的OH^-再和NH₄⁺反应放出氨气，所以随着铵盐的量的增大，NH₄HSO₃的量也增大，放出的氨气的量会为0；
由题知铵盐质量为30.00g时，产生0.04molNH₃．该铵盐中NH₄HSO₄先与NaOH溶液反应，2NH₄HSO₄+2NaOH=（NH₄）₂SO₄+Na₂SO₄+H₂O，只有当NH₄HSO₄中的H⁺消耗完全后，NH₄⁺才能与NaOH溶液反应产生NH₃，NH₄⁺+OH^-=NH₃↑+H₂O．据此判断铵盐质量为10.00g时NaOH溶液过量，铵盐质量为20.00g和30.00g时，消耗的NaOH质量相等．设10.00g铵盐中NH₄HSO₄ 与（NH₄）₂SO₄的物质的量分别为X、Y，n（NH₃）=n（OH^-）-n（H⁺），则有：

铵盐质量/g	10.00	20.00	30.00	40.00
含NH₄HSO₄、（NH₄）₂SO₄/mol	X、Y	2X、2Y	3X、3Y	4X、4Y
产生NH₃/mol	X+2Y	X+2Y	0.04	0
消耗NaOH/mol	2X+2Y	3X+2Y	3X+0.04	3X+0.04

因此3X+2Y=3X+0.04，解得Y=0.02mol，又115X+132Y=10.00，得X=0.064mol．则该铵盐中氮元素的质量分数= $\text{[math]}$ ×100%=14.56%．计算15.00 g铵盐与NaOH溶液反应产生的NH₃；由上面讨论可知此NaOH溶液中共有0.232molNaOH，当铵盐质量为15.00g时含0.096mol NH₄HSO₄和0.03mol （NH₄）₂SO₄，共有NH₄⁺和H⁺ 0.252mol，故NaOH不足，此时产生n（NH₃）=（0.232-0.096）mol=0.136mol，NH₃的质量=0.136mol×17g/mol=2.31g．
故答案为：14.56； 2.31g．
分析：（1）利用工业制硫酸的原理分析，需要的原料是黄铁矿；
（2）接触室内的反应是二氧化硫的催化氧化；
（3）依据影响反应速率的因素和平衡移动的影响因素分析解答；
（4）每160g SO₃气体物质的量为2mol；与液态H₂O化合放出260.6kJ的热量，依据热化学方程式书写方法写出，标注物质聚集状态和对应量的反应热；
（5）二氧化硫吸收溴单质利用的是二氧化硫的还原性和溴单质的氧化性；根据氧化还原反应书写离子方程式；
（6）本反应历程是：OH^-首先是和NH₄HSO₃中的H⁺反应，随后有多的OH^-再和NH₄⁺反应放出氨气，所以随着铵盐的量的增大，NH₄HSO₃的量也增大，放出的氨气的量会为0．浓硫酸增加的质量就是氨气的质量．第一次和第二次放出的氨气的量是一样的，所以说第一次肯定是OH^-的量过量．利用第二次的量计算（因为是OH^-不足）．
点评：本题考查了工业制硫酸的基本原理，考查化学平衡的影响因素和化学反应速率的影响因素，以硫酸工业尾气的吸收为载体考查化学计算，涉及混合物计算，过量问题的计算、范围讨论型计算、信息迁移型计算、NH₄⁺、H⁺与NaOH溶液反应的先后顺序等知识，定性与定量相结合，综合性强，难度较大．

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A、B

A．CaO B．Na₂C0₃ C．NH₄N0₃ D．P₂0₅
Ⅱ以黄铁矿为原料，采用接触法生产硫酸的流程可简示如下：

请回答下列问题：
（1）在炉气制造中，生成S0₂的化学方程式为

4FeS₂+11O₂

高温

4Fe₂O₃+8SO₂

4FeS₂+11O₂

高温

4Fe₂O₃+8SO₂

；
（2）炉气精制的作用是将含S0₂的炉气

除尘、

、

水洗

及干燥，如果炉气不经过精制，对S0₂催化氧化的影响是

砷、硒等化合物会使催化剂中毒，水蒸气对设备和生产有不良影响

．
（3）精制炉气（含SO₂体积分数为7%、O₂为ll%、N₂为82%）中S0₂平衡转化率与温度及压强关系如下图所示．在实际生产中，S0₂催化氧化反应的条件选择常压、450℃；左右（对应图中A点），而没有选择S0₂转化率更高的B或C点对应的反应条件，其原因分别是

不选B点，因为压强越大对设备的投资越大，消耗的动能越大．SO₂的转化率在1个大气压下的转化率已达到97%左右，在提高压强，SO₂的转化率提高的余地很小，所以采用1个大气压

、

不选C点，因为温度越低，SO₂的转化率虽然更高，但催化剂的催化作用会受影响，450℃时，催化剂的催化效率最高，故选择A点，而不选择C点．

；

（4）在S0₂催化氧化设备中设置热交换器的目的是

利用反应放出的热量预热原料气体

、

上层反应气经热交换器温度降到400～500℃进入下层使反应更加完全

，从而充分利用能源．

以黄铁矿为原料生产硫酸的工艺流程图如下：

(1)请写出沸腾炉中黄铁矿燃烧的化学方程式：________________．

(2)接触室中2SO₂(g)＋O₂(g)2SO₃(g)，反应过程的能量变化如图所示．已知1 mol　SO₂(g)氧化为1 mol　SO₃(g)的ΔH＝－99 kJ·mol^－1．请回答下列问题：

①依据工艺流程图判断下列说法正确的是(选填序号字母)________．

a．为使黄铁矿充分燃烧，需将其粉碎

b．过量空气能提高SO₂的转化率

c．使用催化剂能提高SO₂的反应速率和转化率

d．沸腾炉排出的矿渣可供炼铁

②反应达到平衡时，平衡常数表达式K＝________，升高温度，K值________(填“增大”、“减小”或“不变”)；图中△H＝________KJ·mol^－1．

③图中C点表示________，E的大小对该反应的反应热________(填“有”或“无”)影响．该反应通常用V₂O₅作催化剂，加V₂O₅会使图中B点________(填“升高”或“降低”)．

④如果反应速率v(SO₂)为0.05 mol·L^－1·min^－1，则v(O₂)＝________mol·L^－1·min^－1；

⑤已知单质硫的燃烧热为－296 KJ·mol^－1，计算由S(s)生成3 mol　SO₃(g)的△H＝________．

(3)吸收塔排出的尾气先用氨水吸收，再用浓硫酸处理，得到较高浓度的SO₂和铵盐．SO₂既可作为生产硫酸的原料循环再利用，也可用于工业制溴过程中吸收潮湿空气中的Br₂．SO₂吸收Br₂的离子方程式是________________．

以黄铁矿为原料生产硫酸，根据下列方程式：

（1）FeS₂（s）+11/4O₂（g）====1/2Fe₂O₃（s）+2SO₂（g）；ΔH=－835 kJ·mol^－¹

（2）SO₂（g）+1/2O₂（g）====SO₃（g）；ΔH=－98.3 kJ·mol^－¹

（3）SO₃（g）+H₂O（l）====H₂SO₄（l）；ΔH=－130.3 kJ·mol^－¹

计算将1.0 mol FeS₂中的硫全部转化为H₂SO₄，理论上可产生多少热量？

工业上以黄铁矿为原料生产硫酸主要分为三个阶段进行，即在沸腾炉中煅烧黄铁矿、SO₂的催化氧化及其SO₃的吸收。请回答下列几个有关硫酸工业中的几个问题。

（1）生产硫酸最古老的方法是以绿矾为原料，在蒸馏釜中煅烧。反应的化学方程式为：2FeSO₄·7H₂O Fe₂O₃ + SO₂↑+ SO₃↑+ 14H₂O。其中三氧化硫与水蒸气同时冷凝便得到硫酸。用如图所示装置模拟用绿矾制硫酸的实验，并检验生成的硫酸和二氧化硫（加热装置已略去）。其中b为干燥的试管。下列关于该反应说法正确的是( )

A．若将反应后的三种气体通入BaCl₂溶液中，产生的沉淀为BaSO₃、BaSO₄

B．b中产物用紫色石蕊试液即可检验出其中H⁺和SO₄²^—

C．为检验反应的另一种生成物，试管c中应加入的试剂为NaOH溶液

D．b中所得到的硫酸的质量分数为29.5%

(2)从沸腾炉中出来的炉气必须经除尘、洗涤、干燥后进入接触室，其主要目的是__________。

(3)接触室中热交换器是实现冷热交换的装置。化学实验中也经常利用热交换来实现某种实验目的，如气、液热交换时通常使用的仪器是______________。

(4)接触室中主要反应是SO₂的催化氧化，在生成硫酸的过程中，钒触媒(V₂O₅)所以能加快二氧化硫氧化的速度，除了具有吸附作用外，有人认为反应过程中还产生了一连串的中间体(如图)。c步的化学方程式可表示为_______________________。

(5) 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、微量的SO₃和酸雾。为了保护环境，同时提高硫酸工业的综合经济效益，应尽可能将尾气中的SO₂转化为有用的副产品。将尾气通入粉末状的碳酸钙或熟石灰的悬浊液中，经过一系列处理后得到一种相对分子质量为172的化工原料J。试写出J的化学式_________。

[三选一选修2：化学与技术]
以黄铁矿为原料生产硫酸的工艺流程图如下：

(1)沸腾炉中反应的化学方程式为______，该反应中氧化产物是______，在上述流程图E用线段表示出接触室两个出口出来的与制备反应有关的气体成分及去向。
(2)依据工艺流程图判断下列说法错误的是___________。
a．为使黄铁矿充分燃烧，需将其粉碎
b．过量空气能提高SO₂的转化率
c．使用催化剂能提高SO₂的反应速率和转化率
d．从沸腾炉出来的SO₂需要净化，其目的是防止催化剂“中毒”
(3)硫酸工业是一种易造成多种形式环境污染的工业，但若处置得当，不仅可防止污染的发生，而且能变废为宝。请你提出一种对尾气进行无害化处理的方案（用方程式表示）________；对矿渣的合理利用方法是_________；对沸腾炉中余热的利用方法是__________________________ .
(4)某工厂用500t含硫48%的黄铁矿制备硫酸，若在沸腾炉中有2%的FeS₂损失，在接触室中SO₃的产率为96%，则可得到98%的浓硫酸的质量是______________。
a.705.6t    b.720 t c.734.7 t    d.750 t

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