Question

9．现代炼锌的方法可分为火法和湿法两大类．火法炼锌是将闪锌矿（主要含ZnS）焙烧使它转化为氧化锌，再把氧化锌和焦炭混合，在鼓风炉中加热至1100℃～1300℃，使锌蒸馏出来（设空气中N₂、O₂的体积分数分别为0.80、0.20），主要反应为：
焙烧炉中：2ZnS（s）+3O₂（g）→2ZnO（s）+2SO₂（g）    ①
鼓风炉中：2C（s）+O₂（g）→2CO                  ②
鼓风炉中：ZnO（s）+CO（g）?Zn（g）+CO₂（g）   ③
（1）已知闪锌矿中含硫的质量分数为16.0%，而所含杂质不含硫，则闪锌矿中硫化锌的质量分数为48.5%．现代工业生产多采用联合生产，可将闪锌矿中的硫用于生产硫酸．现有
此闪锌矿100t，在理论上可生产出98.0%的硫酸50t．
（2）焙烧炉产生的炉气中SO₂的体积分数不超过14.3%（保留小数点后一位小数，下同）．
（3）鼓风炉容积固定，炉内部分气态物质其物质的量浓度（mol/L）变化如下：

时间/min	CO	Zn	CO2
0	0.11	0	0
2	0.10	0.01	0.01
3	0.01	0.10	0.10
4	0.01	0.10	0.10

则鼓风炉中CO总的转化率为90.9%；若生产中CO总的利用率为95.0%，列式计算每生产1molZn，至少需要补充焦炭多少克？
（4）若ZnS全部转化为Zn，焙烧炉出来的N₂、O₂、SO₂混合气体中N₂占82.5%，鼓风炉中CO的转化率为62.5%，而O₂无剩余，试列式计算每生产1mol Zn，应向焙烧炉和鼓风炉中鼓入新鲜空气共多少升（S．T．P）？

Answer 1

分析 （1）计算出ZnS中硫的质量分数ω（S），闪锌矿中S的质量分数为ZnS中硫的质量分数ω（S）×ω（ZnS）；
根据S元素守恒：S～H₂SO₄，再根据质量定比关系计算；
（2）假定有2molZnS，最少通入3molO₂，计算出生成的SO₂的物质的量，及未反应的N₂的物质的量，进而计算炉气中SO₂的体积分数；
（3）CO的总转化率=$\frac{CO浓度变化量}{CO起始浓度}$×100%；
令需焦炭质量为mg，实际利用的为95%mg，由方程式可得关系式ZnO（s）～C（s），即n（ZnO）=n（C），据此计算；
（4）令生产1molZn鼓风炉中消耗空气物质的量为5y，则通入的氧气为y、制得一氧化碳为2y，实际用于还原ZnO的CO物质的量为2y×62.5%，由方程式可知，2y×62.5%=1mol；
令1molZn焙烧炉中消耗空气的物质的量为5x，根据Zn元素守恒，需ZnS1mol，根据差量法计算出从焙烧炉出来的气体物质的量变化量，利用混合气体中N₂占82.5%，列方程；
两处之和即为鼓入新鲜空气．

解答 解：（1）ZnS中锌的质量分数ω（S）=$\frac{32}{97}$，则：
ω（ZnS）×$\frac{32}{97}$=16%，
故ω（ZnS）=48.5%
设生成98%硫酸为x t，则：
S～～～～～～～H₂SO₄
32             98
100t×16%      xt×98%
所以32：98=100t×16% xt×98%
解得x=50
故答案为：48.5%；50；
（2）假定有2molZnS，最少通入3molO₂，根据方程式2ZnS（s）+3O₂→2ZnO（s）+2SO₂ （g） 可知，生成的SO₂的物质的量为2mol，未参加反应的N₂的物质的量为3mol×4=12mol，此时SO₂的体积分数为$\frac{2mol}{2mol+12mol}$×100%=14.3%．实际通入的空气要多，故SO₂的体积分数不超过14.3%，
故答案为：14.3；
（3）由表可知，3min时反应达平衡，平衡时时CO的平衡浓度为0.01mol/L，所以CO的总转化率为$\frac{0.11mol/L-0.01mol/L}{0.11mol/L}$×100%=90.9%，
令需焦炭质量为mg，实际利用的为95%mg，由方程式可得，关系式ZnO（s）～C（s），所以n（ZnO）=n（C），即$\frac{95%mg}{12g/mol}$=1，解得m=12.6；
故答案为：90.9%；12.6；
（4）设焙烧炉中消耗空气的物质的量为5x，鼓风炉中消耗空气物质的量为5y
则：2C+O₂=2CO； ZnO（s）+CO（g）=Zn（g）+CO₂（g）．
   y     2y          2y×62.5% 1mol
所以2y×62.5%=1mol
解得 y=0.8mol，所以 5y=4mol
2ZnS+3O₂=2ZnO+2SO₂ △n
2mol              1mol
1mol              0.5mol
所以4x÷（5x-0.5mol）=82.5%
解得 x=3.3mol，所以 5x=16.5mol
所以5x+5y=4mol+16.5mol=20.5mol
V（空气）=20.5mol×22.4L•mol-1=459.2L
答：应向焙烧炉和鼓风炉中鼓入新鲜空气共459.2L．

点评 本题以金属冶炼为载体，考查有关化学计算，综合性大，关键要理清思路、掌握好基础知识，难度比较大．