题目内容

12.以黄铁矿为原料生产硫酸的工艺流程图如图:

(1)将煅烧黄铁矿的化学方程式补充完整:4FeS2+11O2$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$2Fe2O3+8SO2.
(2)接触室中发生反应的化学方程式是2SO2+O2$?_{高温高压}^{催化剂}$2SO3.
(3)依据工艺流程图判断下列说法正确的是a、b、d(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为SO3(g)+H2O(l)═H2SO4(l);△H=-130.3kJ/mol.
(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SO2+Br2+2H2O═4H++2Br-+SO42-.
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.请计算:
该铵盐中氮元素的质量分数是14.56%;若铵盐质量为15.00g.浓硫酸增加的质量为2.31 g(计算结果保留两位小数).

分析 (1)化学方程式遵循原子个数守恒,依据原子个数守恒判断缺少物质;
(2)二氧化硫和氧气在接触室发生氧化反应生成三氧化硫,反应为可逆反应;
(3)a.将黄铁矿粉碎能增大与氧气的接触面积;
b.可逆反应中当反应物有多种,增大一种反应物浓度可以提高其他反应物转化率;
c.催化剂能同等程度改变反应速率,平衡不移动;
d.依据反应原理可知沸腾炉排出的矿渣含有氧化铁;
(4)每160g SO3气体与H2O(l)化合放出260.6kJ的热量,80g三氧化硫与水反应放热130.3KJ,依据热化学方程式的书写方法写出;
(5)①二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;
②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).

解答 解:(1)依据原子个数守恒可知缺少物质为FeS2;
故答案为:FeS2;
(2)二氧化硫与氧气在接触室内发生氧化还原反应生成三氧化硫,反应为可逆反应,方程式:2SO2+O2$?_{高温高压}^{催化剂}$2SO3;
故答案为:2SO2+O2$?_{高温高压}^{催化剂}$2SO3;
(3)a.将黄铁矿粉碎能增大与氧气的接触面积,所以将黄铁矿粉碎,可以充分燃烧,故a正确;
b.依据方程式:2SO2+O2$?_{高温高压}^{催化剂}$2SO3,可知反应物有氧气和二氧化硫两种,所以增大氧气的浓度可以提高二氧化硫的转化率,故b正确;
c.催化剂的使用对化学平衡不产生影响,二氧化硫转化率不变,故c错误;
d.依据反应原理可知沸腾炉排出的矿渣含有氧化铁,可以用来炼铁,故d正确;
故选:abd;
 (4)每160g SO3气体与H2O(l)化合放出260.6kJ的热量,80g三氧化硫与水反应放热130.3KJ,反应的热化学方程式为: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-+SO42-,
故答案为:SO2+Br2+2H2O=4H++2Br-+SO42-;
  ②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/g10.0020.0030.0040.00
含NH4HSO4、(NH4)2SO4/molX、Y2X、2Y3X、3Y4X、4Y
产生NH3/molX+2YX+2Y0.040
消耗NaOH/mol2X+2Y3X+2Y3X+0.043X+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为$\frac{(0.064+2×0.02)mol×14g/mol}{10.0g}$×100%=14.56%,
由15.00 g铵盐与NaOH溶液反应产生的NH3可知浓硫酸增加的质量,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答:浓硫酸增加的质量为2.31g;
故答案为:14.56;   2.31 g;

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,题目难度较大.

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