1、第三单元 硫酸工业1掌握接触法制硫酸的化学原理，能写出各阶段反应的化学方程式和需要控制的反 应条件，能依据反应的各个阶段 说明生产中反应物和生成物之 间的数量关系。2了解接触法制硫酸的生产工艺，了解各 阶段反应的主要 设备、工 艺要求，结合反应原理理解各阶段生产条件控制的必要性与方法。浓硫酸也能泼出清明上河图？增城高级中学的化学老师黄秉均教学数十载，凭着扎实的化学知识和绘画功底，竟然用浓硫酸独创出一种“酸蚀版”的清明上河图 ，画中各类人物、小桥流水、街头商铺用硫酸勾画得惟妙惟肖。由于浓硫酸有强氧化性、吸水性、脱水性等特性，加上他深爱画画，功底比较扎实，于是他便一直琢磨着将两种自己都熟悉的事物联
2、系起来。 “我将浓硫酸稀释后，用毛笔蘸上，然后在木板上画画，之后用红外线灯反复加热，硫酸将木板内的水分子吸收后，颜色变得深浅不一。 ”黄秉均说，加热温度越高，颜色就越深，最后就达到如水墨画一样的效果了。 思 考 ：工 业 上 是 用 什 么 原 料 来 制 备 硫 酸 的 ？提 示 ：利 用 硫 黄 矿 或 者 硫 铁 矿 为 原 料 来 制 备 。一、接触法制硫酸的化学原理第一步：硫黄或硫铁矿的燃烧氧化。化学方程式为 SO 2 SO2 或者= = = = =点 燃 4FeS211O 2 2Fe2O38SO 2。= = = = =点 燃 第二步：二氧化硫的催化氧化。化学方程式为 2SO2O 2
3、 2SO3。第三步：三氧化硫的吸收。化学方程式为 SO3H 2O=H2SO4。二、硫酸的生产工艺1硫黄或硫铁矿的燃烧从硫铁矿制造二氧化硫，是先将矿物粉碎，放入沸腾焙烧炉中，从该炉下部通入空气，在高温下鼓入炉中的空气把矿石小颗粒扬起，呈沸腾状燃烧氧化。硫铁矿沸腾焙烧得到的炉气中除了含有二氧化硫外，还含有多种杂质。这些杂质有的使催化剂中毒、失效，有的对反应设备有腐蚀作用，有的使制得的硫酸带色。所以，从沸腾焙烧炉出来的高温炉气需要经过冷却、除尘和酸洗。焙烧工序产生的矿渣和粉尘，经冷却增湿后，被送到钢铁厂作为炼铁原料。2二氧化硫的催化氧化精制得到的炉气补充空气后送入装有钒催化剂的接触室，氧化生成三氧化
4、硫。二氧化硫的催化氧化是一个放热的可逆反应。反应在 450 左右进行，有利于钒催化剂发挥催化作用。3三氧化硫的吸收三氧化硫进入吸收塔后用 98.3%的硫酸吸收，得到浓硫酸或发烟硫酸。不用水来吸收三氧化硫是为了避免产生酸雾而降低吸收效率。三、硫酸工业的三废治理1废渣：硫铁矿沸腾焙烧产生的炉渣中含铁量大于 45%，可以用于炼铁及制造硫酸铁、氧化铁红颜料等产品。2废液：用水洗涤、净化沸腾焙烧炉的炉气，产生废水。废水中主要含有微量硫酸、氟化物、铁离子、铅离子等，一般用石灰中和硫酸，形成氢氧化铁絮状沉淀可以吸附重金属离子使污水净化。3废气：由吸收塔排出的尾气中二氧化硫的含量如果超过 500 LL1 ，就
5、要加以处理后才能排出。处理的方法之一是用氨水洗涤烟气脱硫。思考讨论：如何用化学方程式表示用氨水洗涤吸收塔排出的尾气、用石灰处理洗涤沸腾焙烧炉的炉气所产生的废水的过程？提示：1 吸收塔排出的尾气中的二氧化硫常用氨酸法吸收，即用氨水吸收尾气中低浓度的二氧化硫生成亚硫酸氢铵，然后再用 浓硫酸处理，生成二氧化硫和硫酸铵。SO2NH 3H 2O=NH4HSO3SO22NH 3H 2O=NH42SO32NH4HSO3H 2SO4=NH42SO42SO 22H 2ONH42SO3H 2SO4=NH42SO4SO 2H 2O产生的二氧化硫可经过干燥重新用于制硫酸，也可 经干燥后制成液 态二氧化硫产品，硫酸铵作
6、化肥。2用石灰处理洗涤炉气所产生废水的反应：先中和硫酸：CaOH 2H 2SO4=CaSO42H 2O；后与 Fe3 反应：3CaOH2Fe 2SO43=3CaSO42Fe OH3；FeOH 3 絮状沉淀可以吸附废水中的重金属离子，从而净水。一、硫酸工业二、化工厂选址的主要因素化工厂厂址选择涉及原料、水源、能源、土地供应、交通运输、环境保护和市场需求等诸多因素，应对这些因素综合考虑，权衡利弊，才能作出合理的选择。一般应考虑下列因素：是否有市场需求；是否接近原料供应地；土地供应是否充足；水源是否充足；能源是否充足且廉价；交通运输是否方便；能否达到环境保护要求。上述这些因素必须在遵循科学原则的基础
7、上，着重考虑综合经济效益，即要求最大限度地提高劳动生产率，降低成本，保护生态环境。三个反应原理(1)燃烧硫黄或硫铁矿制取 SO2；(2)SO2 在适当温度和催化剂作用下氧化成 SO3；(3)SO3 与水化合生成 H2SO4。三个主要反应4FeS211O 2 2Fe2O38SO 22SO2O 2 2SO3SO3H 2O H2SO4三种原料 硫铁矿(硫黄) 、空气、98.3%的浓硫酸。三个生产阶段 造气；接触氧化；SO 3 的吸收。三种主要设备 沸腾炉；接触室；吸收塔。三种主要杂质 矿尘；砷、硒等化合物；水蒸气。三种净化方法 除尘；洗涤；干燥。接触氧化的三个适宜条件 450 左右(催化剂活性较高)
8、；常压；催化剂主要为 V2O5。三废与处理废气(主要为 SO2)：氨水洗涤；废水(主要含硫酸)：加石灰后排放等；废渣(含铁量较高)：炼铁等。计算涉及的三个关系式 FeS22SO 2；SO 2SO 3；SO 3H 2SO4。三、硫酸工业实际生产中条件的选择1温度：根据平衡移动原理，应在低温下进行，但低温时催化剂的活性不高，反应速率低，实际生产中采用 400500 的温度。2常压：根据平衡移动原理，应在高压下进行，但增大压强对 SO2 的转化率提高不大，且加压会增大成本和能量消耗，而常压下的转化率已很高，实际生产采用常压操作。3适当过量的空气：目的是提高 SO2 的转化率。知识点 1 硫酸工业的生
9、产原理【例题 1】在硫酸的工业制法中，下列生产操作与说明生产操作的原因二者都正确的是( )。A硫铁矿燃烧前需将矿粒粉碎，这样易于向沸腾炉中投料B炉气进入接触室之前需要净化、干燥，因为炉气中的杂质易与 SO2 反应CSO 2 氧化为 SO3 时需使用催化剂，这样可提高 SO2 的转化率D接触室的反应温度控制在 400500 ，因为在这个温度范围内，反应速率和 SO2的转化率都比较理想，且催化剂的活性也较高解析：题中所提到的对硫酸工业采取措施的叙述都是正确的。但硫 铁矿进入沸腾炉之前粉碎的原因是为了增大矿粒与空气的接触面积，使其燃烧得更快、更充分，从而提高硫铁矿的利用率；从沸腾炉出来的炉气必须净化
10、干燥的目的是因为炉气中的一些杂质气体会使接触室中的催化剂中毒，使催化 剂丧失活性，同 时防止炉气中的水蒸气和 SO2 生成酸而腐蚀管道；SO 2转化为 SO3时使用催化 剂是为了缩短到达平衡的时间，但它并不能影响化学平衡的移动，并不影响 SO2转化率的大小；接触室控制反 应的温度在 400500 ，这是综合考虑了催化剂活性、反应速率及 SO2 的转化率等因素而确定的，故 D 项正确。答案：D点拨：本题考查的是接触法制硫酸的生产过程、反 应原理、生产设备和一些生产措施在工业生产中的意义。要从最本 质的角度分析实际操作的原因，以免被一些次要问题所迷惑。知识点 2 硫酸工业生产中反应条件的控制【例题
11、 2】工业上生产硫酸时，利用催化氧化反应将 SO2 转化为 SO3 是一个关键步骤。压强及温度对 SO2 转化率的影响如下表( 原料气各成分的体积分数为：SO27%， O211%，N 282%)：(1)已知 SO2 的氧化是放热反应，如何利用表中数据推断此结论？_；(2)在 400500 时，SO 2 的催化氧化采用常压而不是高压，主要原因是_；(3)选择适宜的催化剂，是否可以提高 SO2 的转化率？_(填“是”或“否”)，是否可以增大该反应所放出的热量？_( 填“是”或“否 ”)；(4)为提高 SO3 吸收率，实际生产中用 _吸收 SO3；(5)已知：2SO 2(g)O 2(g) 2SO3(
12、g) H 196.6 kJmol1 ，计算每生产 1= = = = =催 化 剂 万吨 98%的硫酸所需要的 SO3 的质量和由 SO2 生产这些 SO3 所放出的热量。解析：(1)根据表格中的数据可以看出，在相同压强下(如在 0.1 MPa 下)升高温度( 如由400 升高到 500 )时 SO2 的转化率降低(由 99.2%降低 为 93.5%)，即升高温度 时此化学平衡向逆反应方向移动，而升高温度化学平衡 应该向吸热反 应方向移动，所以此反 应的正反应为放热反应。(2)根据表格中的数据可以得知：在 0.1 MPa SO2 的转化率已经很高，如在 400 时已达 99.2%，若增大压强到
13、10 MPa，压强增大了 100 倍但是 SO2 的转化率增大为99.9%，只增大了 0.7%，变化不大。而压强增大 100 倍，需要对设备的材料、 动力、能源等都作相应的提高，即要增大成本投入。(3)使用催化剂只能改变化学反应的速率，改 变反应到达平衡的时间，不能使化学平衡 发生移动，即 对 SO2 的转化率不 产生影响；而在一定条件下，化学反应放出的热量与参加反应的反应物的量成正比，因 SO2 的转化率不变，所以反 应放出的热量也不会增大。(4)在生产实际中是采用 98.3%的浓硫酸作吸收剂来吸收 SO3 的。因为若用水进行吸收会形成酸雾，将影响 SO3 的吸收效率。(5)SO2 SO 3
14、 H 2SO4 反应热 80 gmSO3 98 g104106 g98% 196.6 kJ/2Q解得：m(SO 3)8.010 9 g8.010 3 t，Q9.8310 9kJ。答案：(1)压强一定时，温度升高，SO 2 转化率下降，说明升温有利于逆反应进行，所以正反应为放热反应(2)增大压强对提高 SO2 转化率无显著影响，反而会增加成本 (3) 否 否 (4)浓硫酸(5)8.0103 t 9.8310 9kJ点拨：化工生产条件的选择是理论联系生产实际的一个重点应用，在处理问题选择生产条件时既涉及外界条件对化学反应速率和化学平衡的影响，又会考 虑生产实际问题。在 备考复习时应对合成氨、二氧化
15、硫催化氧化生产条件的选择 充分理解、熟 练掌握，并学会举一反三。知识点 3 硫酸工业综合经济效益【例题 3】分析下面两个案例并回答有关问题。(1)某城镇生产、生活的分布情况如图所示，河流中 W、X、Y、Z 处某次水样抽测结果如表所示。导致 X、Y 处水样 pH 变化的原因可能是_；Z 处鱼类大量减少，产生这种现象的原因可能是_。(2)某地区已探明蕴藏有丰富的赤铁矿( 主要成分为 Fe2O3，还含有 SiO2 等杂质)、煤矿、石灰石和黏土。拟在该地区建设大型炼铁厂。随着铁矿的开发和炼铁厂的建立，需要在该地区相应建立焦化厂、发电厂、水泥厂等，形成有规模的工业体系。据此确定上图中相应工厂的名称A_、
16、B_、C_ 、D_；以赤铁矿为原料，写出高炉炼铁中得到生铁和产生炉渣的化学方程式：_；从三废利用、环境保护等角度考虑，该地区和企业在生产中应采取的一些措施有(举出两种措施即可)_。解析：(1)从给出的数据看， X 处水样呈碱性，Y 处水样呈酸性，Z 处水样缺氧。造纸厂排放的碱性污水使 X 处河水 pH 升高，火力发电厂净化烟气的酸性废水治理未达标就排放，造成 Y 处等的河水 pH 降低( 或火力发电厂燃烧产生的 SO2 会导致酸雨的产生，使 Y 处等的河水 pH 降低)，化肥厂、农田及生活污水使 Z 处河水富营养化，水温较高，适于藻 类等水生植物生长，河水中溶解氧被大量消耗，导致鱼类死亡。(2
17、)某地区有丰富的煤矿可建立发电厂和焦化厂，有丰富的赤铁矿和石灰石可建立炼铁厂，有丰富的石灰石和黏土可建立水泥厂。高炉炼铁相关反应：Fe2O33CO 2Fe 3CO2、CaCO3SiO 2 CaSiO3CO 2。 从三废利= = = = =高 温 = = = = =高 温 用、环境保护等角度考虑，该地区和企业在生产中应建立污 水处理系统，将石灰石煅烧成生石灰用于吸收发电厂和焦化厂燃煤时产生的 SO2，减少 对 空气的污染。答案：(1)造纸厂排放的碱性污水使 X 处河水 pH 升高，火力发电厂净化烟气的酸性废水治理未达标就排放，造成 Y 处等的河水 pH 降低(或火力发电厂燃烧产生的 SO2 会导
18、致酸雨，飘落后使 Y 处等的河水 pH 降低) 化肥厂、农田及生活污水使 Z 处河水富营养化，水温较高，适于藻类等水生植物生长，河水中溶解氧被大量消耗，导致鱼类死亡(2)发电厂 焦化厂 炼铁厂 水泥厂Fe 2O33CO 2Fe3CO 2；= = = = =高 温 CaCO3SiO 2 CaSiO3CO 2= = = = =高 温 用炼铁厂的炉渣(或 CaSiO3)作为水泥厂的原料；用发电厂的煤矸石和粉煤灰作为水泥厂的原料；将石灰石煅烧成生石灰，用于吸收发电厂和焦化厂燃煤时产生的 SO2，减少对空气的污染；建立污水处理系统(任选两种)点拨：本题考查了有关化学与环境保护的相关知识。关注有关化学与环
19、境保护综合应用的相关命题。解答本题要将工 业生产与化学反应原理相 结合、将 环境污染与实际生活相联系，注意创造性地利用化学知 识解决实际问题。知识点 4 硫酸工业中的多步计算题【例题 4】某硫酸厂初步处理后的尾气中含 0.2%的 SO2 和 10%的 O2(均为体积分数)。为了进一步除去 SO2，并将 SO2 转变为(NH 4)2SO4，有人设计了如下方案：在 400 时，尾气以 5 m3/h 的速率通过 V2O5 的催化剂层后，与 20 L/h 速率的氨气混合喷水。此时气体温度由 400 降至 200 ，在热的结晶装置中得到(NH 4)2SO4 晶体( 气体的体积已转为标准状况)。请回答下列
20、问题：(1)按反应中的理论值，SO 2 和 O2 的体积比为 21，但实际生产中这个比值是多少？为什么？(2)通过计算说明为什么尾气以 5 m3/h 的速率与 20 L/h 速率的氨气混合？(3)若该厂每天排放 10 000 m3 尾气，求该厂每月(按 30 天计算)可得到(NH 4)2SO4 的质量为多少？解析：(1)根据 2SO2O 2 2SO3，SO2 和 O2 按 21( 体积比)的理论值反应，但实际上 V(SO2)V(O 2)0.2%10%150。根据化学平衡移动原理，增大廉价的氧气的 浓度，可使反应向生成三氧化硫的方向移动，这样可以提高二氧化硫的 转化率。(2)2NH3 SO22
21、1v(NH3) 51030.2% L/hv(NH3)20 L/h(3)根据 2SO2O 2 2SO3 以及 SO3H 2O2NH 3=(NH4)2SO4得关系式：SO 2 2NH3 (NH4)2SO422.4 L 132 g107 L0.2%30 m(NH4)2SO4m(NH4)2SO43.5410 6 g 3.54 t答案：(1)见解析(2)见解析(3)3.54 t点拨：关于多步反应的计算方法有：(1)关系式法：先写出多步反应的化学方程式，然后找出反应物和生成物之间物质的量(或质量 )之比，列出关系式，即可一步 计算。(2)元素守恒法：找出主要原料和最终产物之间物质的量的 对应关系。找出此关
22、系的简便方法，就是分析原料与产物之 间所含关键元素原子个数关系，如：FeS 22H 2SO4，SH 2SO4。若已知( 欲求)FeS 2 含量，用前面的关系式，若已知 (欲求)S 的含量，用后一关系式，且二氧化硫转化率、三氧化硫吸收率均可折算成起始物 FeS2(或 S)进行计算。1 下列化工生产中所发生的主要化学反应，不涉及氧化还原反应的是( ) 。A氯碱工业 B接触法制硫酸C制造普通玻璃 D工业合成氨解析：各选项涉及的主要反应为：A 项，2NaCl 2H2O 2NaOHH 2Cl 2；B 项，= = = = =通 电 4FeS211O 2 2Fe2O38SO 2，2SO2O 2 2SO3，S
23、O3H 2O=H2SO4；C 项，= = = = =点 燃 SiO2Na 2CO3 Na2SiO3CO 2；D 项， N23H 2 2NH3。= = = = =高 温 答案：C2 工业上以硫铁矿为原料制硫酸所产生的尾气除了含有 N2、O 2 外，还含有 SO2 等对环境有较大影响的有害气体。能用于测定硫酸尾气中 SO2 含量的是( ) 。ANaOH 溶液、酚酞试液B石灰水、石蕊试液C碘水、淀粉溶液D氨水、酚酞试液解析：测定 SO2 含量必须要能跟 SO2 反应，而且可以用 颜 色变化来准确确定反应终点。A 项和 D 项虽然能反应，但 A 在完全生成 Na2SO3时溶液还是碱性，没变色，而 D
24、在 SO2还没与氨水完全反应就开始变色了。石灰水中所含溶 质较少，且石蕊试液的颜色变化不明显。答案：C3 工业制硫酸生产流程如下图：(1)我国黄铁矿资源比较丰富，但很多工厂仍以硫黄为原料生产硫酸，理由是_。(2)在催化反应室，下列措施中有利于提高 SO2 平衡转化率的有_。A升高温度 B减小压强C不断补充空气 D及时分离出 SO3(3)在生产中为提高催化剂催化效率采取了哪些措施？_ 。( 至少答出两点措施)(4)已知 2SO2(g)O 2(g) 2SO3(g) H196 kJmol1 。在 450 、常压和钒催化条件下向一密闭容器中充入 2 mol SO2 和 1 mol O2，充分反应后，放
25、出的热量_(填“”“ ”或“”)196 kJ，理由是_。(5)经检测生产硫酸的原料气成分( 体积分数)为 SO27%、O 211%、N 282%。在 500 ，0.1 MPa 条件下达到平衡时，各种气体的体积比为 V(SO2)V(SO 3)V(O 2)V(N 2)0.466.547.7382，则 SO2 的利用率约为_。解析：二氧化硫转化为三氧化硫的正反应为气体体积减小的放热反应，所以低温高压有利于提高二氧化硫的转化率。在生 产过程中，氮气没有参加反应，所以其体积不变，则可看作反应前气体的体积 SO2、O2、N2 分别为 7 L、11 L、82 L，反 应后 SO2 的体积为 0.46 L，所
26、以 SO2 的转化率 为 100%93.4%。6.547答案：(1)黄铁矿为原料的生产中产生的废弃物太多，处理成本高(2)CD(3)净化气体；控制温度在 400500 ；增大催化剂与反应气体的接触面积 (任选两点)(4) 在 1.01105 Pa 和 298 K 条件下，2 mol SO2 和 1 mol O2 完全反应生成 2 mol SO3，放出 196 kJ 热量，该反应为可逆反应，不可能进行完全，又因为反应温度为 450 ，所以放出的热量小于 196 kJ(5)93.4%4 用含 FeS278%(质量分数，下同 )的硫铁矿制硫酸，若煅烧时损失 6%的硫，在接触氧化时又损失 2%，求制得
27、 1 t 98%的浓硫酸需这种矿石多少吨。解析：每种化合物都有固定的组成，即每种化合物的 组成元素的 质量都有一定的比例，当某一化合物损失 a%时，其组分元素也必然损失各自的 a%，反之亦然。由此可知接触氧化时硫损失 2%，也就是接触氧化时 FeS2 的转化率为 98%。设需硫铁矿的质量为 x，涉及的有关化学方程式如下：4FeS211O 2 2Fe2O38SO 22SO2O 2 2SO3SO3H 2O=H2SO4根据各化学方程式中反应物和生成物之间的比例关系，可找出 FeS2 与每步反应中产物之间的关系式：4FeS28SO 28SO 38H 2SO4容易得出这组连续反应的反应关系：FeS2 2H2SO4120 t 298 tx78%(16%)(12%) 1 t98%解之得：x0.84 t。答案：0.84 t
