Question

接触法制硫酸是先把SO₂催化氧化为SO₃，然后用水和浓硫酸吸收得到SO₃。某工厂接触室出口气体中含N₂、O₂、少量SO₂和10%（体积分数）的SO₃。把出口气体送进吸收塔，使SO₃转化成98%（质量分数）的H₂SO₄和发烟H₂SO₄〔H₂SO₄和SO₃混合物，其中含20%（质量分数）的SO₃〕。

（1）设上述工厂只生产发烟H₂SO₄：

①算出1 000 m³ 出口气体所需要的水的质量；

②算出每1 000 m³出口气体生产的发烟硫酸的质量。

（2）设上述工厂只生产98%的H₂SO₄：

①算出每1 000 m³出口气体所需要的水的质量；

②算出同时生产的98% H₂SO₄的质量。

注：上述气体体积均转化为标准状况下的体积。

（3）若该工厂同时生产发烟硫酸和98%硫酸（两种产物的质量比x=m₁/m₂，m₁和m₂分别是发烟硫酸和98%硫酸的质量）。

导出数学表达式，用来描述每1 000 m³出口气体中所消耗水的质量同上述x间的关系。

说明问题（1）和问题（2）中得到的有关数据是否符合你导出的数学表达式。

Answer 1

思路解析：由题目所给数据可先求出1 000 m³出口气体中SO₃的物质的量。发烟硫酸可表示为H₂SO₄·xSO₃，即（1+x）SO₃·H₂O，已知SO₃的质量分数是20%，求出x，进而得出结论。第二问与第一问采取的解题步骤相似。第三问可利用第一问和第二问的数据，而且可用前面所得的数据验证关系式是否正确。

解：（1）1 000 m³中含n（SO₃）=≈4 464 mol，设此发烟硫酸为H₂SO₄·xSO₃，其中含20%的SO₃，列式计算：×100=20%  x=0.306

相应的化学方程式：1.306 SO₃+H₂OH₂SO₄·0.306SO₃

设需用水M₁，生成H₂SO₄·0.306SO₃ M₂

由SO₃—H₂O—H₂SO₄·0.306SO₃

4 464 mol  ×4 464 mol  ×4 464 mol

M₁=×4 464 mol×18 g·mol^-1=6.15×10⁴ g

M₂=×4 464 mol×（98+0.306×80） g·mol^-1=4.19×10⁵ g

（2）98%的H₂SO₄中的H₂SO₄与H₂O的物质的量之比为∶=1∶，因而98% H₂SO₄可写成：H₂SO₄·H₂O

SO₃+H₂OH₂SO₄·H₂O

设1 000 m³出口气体需水m₁，生成98%的H₂SO₄ m₂，则

m₁=4 464 mol××18 g·mol^-1=8.93×10⁴ g

m₂=4 464×（98+×18）g·mol^-1=4.46×10⁵ g

（3）6.15×10⁴×g+8.93×10⁴×g=6.15×10⁴×g+8.93×10⁴×g

若全部生成发烟硫酸，x→∞，上式=6.15×10⁴ g；

若全部生成98%的硫酸，x=0，上式=8.93×10⁴ g。

答案：（1）6.15×10⁴ g，4.19×10⁵ g。（2）8.93×10⁴ g，4.46×10⁵ g。（3）符合。