高考化学考点解析全程复习考点： 硫酸工业 环境保护

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复习重点 1.接触法制硫酸的生产过程和化学原理. 2.保护环境

难点聚焦 一,接触法制硫酸的原理,过程及典型设备 1.三种原料:硫铁矿(FeS2),空气,水. 利用接触法制硫酸一般可以用硫黄, 黄铁矿, 石膏, 有色金属冶炼厂的烟气(含一定量的SO2) 等.其中用硫黄作原料成本低,对环境污染少.但我国硫黄资源较少,主要用黄铁矿(主要成分 为FeS2)作生产硫酸的原料. 2.三步骤,三反应: (1) 4FeS2 +11O2=== 2Fe2O3+8SO2(高温) (2)2 SO2+ O2 ≈ 2 SO3 (催化剂,加热),(3) SO3 + H2O === H2SO4 3.三设备:(1)沸腾炉(2)接触室(3)合成塔 4.三原理:化学平衡原理,热交换原理,逆流原理. (1)增大反应物浓度,增大反应物间接触面积,能提高反应速率并使化学平衡向正反应方 向移动,以充分提高原料利用率. (2)热交换原理:在接触室中生成的热量经过热交换器,传递给进入接触室的需要预热的混合 气体,为二氧化硫的接触氧化和三氧化硫的吸收创造了有利条件. (3)逆流原理:液体由上向下流,气体由下向上升,两者在逆流过程中充分反应. 接触法制硫酸的原理,过程及典型设备 三原料 黄铁矿 造气 或S 接触氧 空气 化 98.3%浓 硫酸 三氧化 SO3+ H2O === H2SO4 硫吸收 接触法制硫酸示意图: 吸收塔 干燥 2 SO2 + O2 ≈ 2 SO3 (催化剂) 交换器) (高温)或S+O2=SO2 接触室(含热 洗涤 三阶段 三反应(均放热) 4FeS2+11O2=== 2Fe2O3+8SO2 沸腾炉 除尘 三设备 三净化

5.应用化学反应速率和化学平衡移动原理选择适宜条件 二氧化硫接触氧化的反应是一个气体总体积缩小的,放热的反应. (1) 温度

二氧化硫接触氧化是一个放热的可逆反应,根据化学平衡理论判断,温度较低对反应有利. 但是, 温度较低时, 反应速率低, 考虑催化剂在400∽500℃活性最大, 在实际生产中, 选定400～ 500℃作为操作温度,这时反应速率和二氧化硫的转化率都比较理想. (2) 压强 二氧化硫接触氧化是一个气体总体积缩小的可逆反应, 根据化学平衡理论判断, 加压对反应 有利.但是,在常压,400～500℃时,二氧化硫的转化率已经很高,加压必须增加设备,增大 投资和能量消耗,故在实际生产中,通常采用常压操作,并不加压. (3) 二氧化硫接触氧化的适宜条件

常压,较高温度(400～500℃)和催化剂 6.接触法制硫酸中应注意的几个问题 (1)依据反应物之间的接触面积越大反应速率越快的原理,送进沸腾炉的矿石要粉碎成细 小的矿粒,增大矿石跟空气的接触面积,使之充分燃烧. (2)依据增大廉价易得的反应物的浓度,使较贵重的原料得以充分利用的原理,采用过量 的空气使黄铁矿充分燃烧. (3)通入接触室的混合气体必须预先净化,其原因是:炉气中含有二氧化硫,氧气,氮气, 水蒸气以及砷,硒化合物,矿尘等.砷,硒化合物和矿尘等会使催化剂中毒;水蒸气对生产和设 备有不良影响.因此,炉气必须通过除尘,洗涤,干燥等净化处理. (4)在接触室里装有热交换器,其作用是在二氧化硫接触氧化时,用放出的热量来加热未 反应的二氧化硫和空气,充分利用热能,节约燃料.

(5)不能用水吸收三氧化硫而用98.3%的浓硫酸,若用水或稀硫酸吸收,容易形成酸雾, 且吸收速度慢. 二,有关计算 1.物质纯度,转化率,产率的计算 (1)物质纯度(%)=不纯物质中含纯物质的质量÷不纯物质的总质量×100% (2)原料利用率(%)=实际参加反应的原料量÷投入原料总量×100% (或转化率) (3)产率(%)=实际产量÷理论产量×100% (4)化合物中某元素的损失率=该化合物的损失率 2.多步反应计算 (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)元素守衡法: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: H2SO4. 若已知(欲求)FeS2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.环境保护与原料的综合利用 (1)注意科学实验与实际生产的区别 在科学实验中, 为了探索某个重要的原理或实现某个重要的反应, 可以不惜大量的时间和资 金.而化工生产必须在遵循科学原理,实现某个反应的基础上,着重考虑综合经济效益,最大限 度地提高劳动生产率,降低成本,保护生态环境,为国民经济部门提供质优价廉的化工产品,以 达到优质高效的目的. (2)硫酸生产中的\三废\处理 硫酸厂的尾气必须进行处理, 因为烟道气里含有大量的二氧化硫气体, 如果不加利用而排空 会严重污染空气. 1) 尾气吸收 ① 用氨水吸收,再用 H2SO4 处理:SO2+2NH3+H2O=(NH4)2SO3 (NH4)2SO3+H2SO4=(NH4)2SO4+SO2↑+H2O ②用Na2SO3溶液吸收:Na2SO3+SO2+H2O=2NaHSO3 FeS2～2H2SO4, S～

③用NaOH溶液吸收,再用熟石灰和O2处理;(此方法反应复杂,还可能发生其他反应) SO2+ NaOH = NaHSO3 NaOH +NaHSO3= Na2SO3+ H2O 2 CaSO3 + O2= 2CaSO4 Na2SO3+Ca(OH)2= CaSO3↓+ 2NaOH 2)污水处理

硫酸厂废水中含硫酸,排放入江河会造成水体污染.通常用消石灰处理: Ca(OH)2+ H2SO4=CaSO4+2H2O.生成的硫酸钙可制建材用的石膏板. 3)废热利用 硫酸工业三个生产阶段的反应都是放热反应,应当充分利用放出的热量,减少能耗. 第一阶段黄铁矿燃烧放出大量的热,通常在沸腾炉处设废热锅炉,产生的过热蒸汽可用于 发电,产生的电能再供应硫酸生产使用(如矿石粉碎,运输,气流,液流等动力用电). 第二阶段二氧化硫氧化放热可用于预热原料气,生产设备叫热交换器,原料气又将三氧化 硫降温,再送入吸收塔. 4)废渣的利用 黄铁矿的矿渣的主要成分是Fe2O3和SiO2,可作为制造水泥的原料或用于制砖.含铁量高 的矿渣可以炼铁. 工业上在治理\三废\的过程中,遵循变\废\为宝的原则,充分利用资源,以达到保护环境的 目的. 2.能量的充分利用 许多化学反应是放热反应.化工生产中应充分利用反应热,这对于降低成本具有重要意义. 硫酸厂生产中的反应热得到充分利用后, 不仅不需要由外界向硫酸厂供应能量, 而且还可以由硫 酸厂向外界输出大量能源. 在硫酸生产过程中使用的热交换器就是利用了反应所放出的热量来加 热二氧化硫和氧气的混合气体,以节约能源. 3.生产规模与厂址选择 (1) 化工厂选址的因素

一般来说,现代化工生产要求有较大的生产规模.化工厂厂址选择是很复杂的问题,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. 化工厂厂址选择一般应考虑下列因素:①是否有市场需求;②是否接近原料供应地;③土地 供应是否充足;④水源是否充足;⑤能源是否充足且廉价;⑥交通运输是否方便;⑦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. (2) 硫酸厂选址的因素

由于硫酸是腐蚀性液体, 不便贮存和运输, 因此要求把硫酸厂建在靠近硫酸消费中心的地区, 工厂规模的大小,主要由硫酸用量的多少决定;硫酸厂厂址应远离水源和河流的上游,以免工厂 的污水污染水源; 也不要设置在城镇和居民区盛行风向的上风地带, 以免工厂排放的大量烟尘和 有害气体污染城镇的水源和大气等.

二.环境保护 环境保护 一, 酸雨 (1) 酸雨的定义 一般认为,酸雨是由于燃烧高硫煤排放的二氧化硫等酸性气体进入大气后,造成局部地区 大气中的二氧化硫富集,在水凝结过程中,溶解于水形成亚硫酸,然后经某些污染物的催化作 用及氧化剂的的氧化作用生成硫酸,随雨水降下形成酸雨. 酸雨的 pH 值一般少于 5.6. (2) 酸雨的危害 对人体健康的直接危害,硫酸雾和硫酸盐雾的毒性比二氧化硫大得多,可以侵入肺的深部 组织,引起肺水肿等疾病而使人致死. 引起河流,湖泊的水体酸化,严重影响水生动植物的生长. 破坏土壤,植被,森林. 腐蚀金属,油漆,皮革,纺织品及建筑材料. 渗入地下,使水中铝,铜,锌,镉的含量比中性地下

水中高很多倍. (3) 酸雨的治理 二氧化硫污染大气的罪魁——煤, 平均含硫量约为 2.5%-3%. 为治理煤燃烧时造成的二 氧化硫污染, 一种办法是事先从煤中除去硫. 但是只有一部分煤中的硫主要以黄铁矿 (FeS2) 1%.大部分的煤中还含有 的形态存在;这样的煤以脱硫工艺处理后其含硫量可降低到约为 较多的有机硫化合物,这样的煤以脱硫平均只能除去原含硫量的约 40%. 二, 温室效应 众所周知,全球变暖是由于\温室效应\温室效应\是怎样形成的呢? 在凉爽,清凉 的日子, 都知道温室里的温度大大高于室外温度. 这是因为温室的保温塑料薄膜使太阳能转 化的热能进的多,出的少,所以温度逐渐升高.地球大气层里的二氧化碳,甲烷等气体就象 这个薄膜,使太阳辐射进的多而出的少,因而使地球表面的温度逐渐升高.根据测定,大气 中的二氧化碳浓度每增加 1 倍, 地球表面的大气温度就会升高 1.5～4.5 度. 由于全世界工业 和交通耗费大量的石油,煤炭,天然气等能源,因此大气中的二氧化碳正以每年 1.5ppm 的 速度增加. 全球变暖使大气,海洋环流规律变化,加剧\厄而尔尼诺\玛尼娜\现象的危害,导致 大面积旱,涝灾害频繁发生.长期干旱使非洲几百万人饿死,上亿人营养不良.东南亚连年 洪水使上千万人流漓失所. 全球变暖还使极地冰川溶化,海平面上升.每升高 1 米,将使 直接受影响的人口达 10 亿,土地 500 万平方米公里(占世界的三分之一) .同时还引发风暴 潮,盐水倒灌.可见其危害多么严重! 三, 臭氧层破坏

大气臭氧层的损耗是当前世界上又一个普遍关注的全球性大气环境问题, 它直接关系到 生物圈的安危和人类的生存. 1984 年,英国科学家首次发现南极上空出现臭氧洞.1985 年,美国的\雨云-7 号\气象卫星测到了这个臭氧洞.以后经过数年的连续观测,进一步得到 证实.据 NASA 报道,NASA 的\卫星上的总臭氧测定记录数据表明,近年来, 南极上空的臭氧洞有恶化的趋势.目前不仅在南极,在北极上空也出现了臭氧减少现象. NASA 和欧洲臭氧层联合调查组分别进行的测定都表明了这一点. 对于大气臭氧层破坏的 原因,科学家中间有多种见解.但是大多数人认为,人类过多地使用氯氟烃类化学物质(用 CFCl 表示)是破坏臭氧层的主要原因.由于臭氧层中臭氧的减少,照射到地面的太阳光紫 外线增强,其中波长为 240--329 纳米的紫外线对生物细胞具有很强的杀伤作用,对生物 圈中的生态系统和各种生物,包括人类,都会产生不利的影响. 臭氧层破坏以后,人体直 接暴露于紫外辐射的机会大大增加,这将给人体健康带来不少麻烦.首先,紫外辐射增强使 患呼吸系统传染病的人增加; 受到过多的紫外线照射还会增加皮肤癌和白内障的发病率. 此 外,强烈的紫外辐射促使皮肤老化. 臭氧层破坏对植物产生难以确定的影响.近十几年来, 人们对 200 多个品种的植物进行了增加紫外照射的实验,其中三分之二的植物显示出敏感 性.一般说来,紫外辐射增加使植物的叶片变小,因而减少俘获阳光的有效面积,对光合作 用产生影响.对大豆的研究初步结果表明,紫外辐射会使其更易受杂草和病虫害的损害.臭 氧层厚度减少 25%,可使大豆减产 20~25%. 紫外辐射的增加对水生生态系统也有潜在的 危险.紫外线的增强还会使城市内的烟雾加剧,使橡胶,塑料等有机材料加速老化,使油漆 褪色等. 例题精讲

例1.在硫酸工业中,通过下列反应使二氧化硫转化为三氧化硫: 2SO2(g)+O2(g) ≈ 2 SO3(g);ΔH=-196.6KJ/mol (1)该反应在(设备)中进行,这种生产硫酸的方法叫做. (2)在实际生产中,操作温度选定400∽500℃,这是因为. (3)硫酸工业选定压强通常采用,作出这种选择的依据是 . 【解析】 (1)接触室;接触法.(2)温度较低时,反应速率较小;温度过高,二氧化硫 的转化率会降低. 考虑到催化剂在400～500℃时, 活性最大, 所以操作温度选定在400～500℃. (3)常压;在常压下及400～500℃时,二氧化硫的转化率已经很高,若加压会增加设备,投资 和能量消耗. 评注 本题主要考查应用化学反应速率和化学平衡原理解决实际工业生产问题的能力.

例2.接触法制硫酸的炉气组成是SO2占7%,O2占11%,N2占82%,现有100L混合气体进入 接触室反应后,总体积变为97.2L.则该变化过程中SO2转化率是 (A)50% (B)60% (C)70% (D)80% N2体积(L) 总体积(L) 82 100 【解析】解法一:设参加反应的二氧化硫体积为2x 2 SO2

+ O2 ≈ 2 SO3 开始时体积(L) 7 11 0

反应后体积 (L)7-2x 根据题意100-x=97.2 11-x x=2.8L 2x 82 100-x

二氧化硫的转化率为5.6L÷7L×100%=80%,答案为D. 解法二:设参加反应的二氧化硫体积为2x 2 SO2 + O2 ≈ 2 SO3 2L 2X 1L 2L 体积差(L) 1L 100L-97.2L=2.8L X=2.8L

二氧化硫的转化率为5.6L÷7L×100%=80%,答案为D. 例3.在下面的框图中,固体A和B都由两种相同的元素组成.在A,B中两种元素的原子个数比 分别为1/1和1/2.由D最终可制得E(酸). (1) 分析判断A和B 各是什么物质,写出各自的化学式. (2)写出①～⑦各步反应的化学方程式. 【解析】 本题属于综合推断题.主要考查学生对元素化合物知识掌握的熟练程度及分析, 推断能力. 分析判断A和B的方法有很多. 方法一:根据\固体A和B都由两种相同的元素组成.在A,B中两种元素的原子个数比分别 为1:1和1:2,可从中学所学的组成关系类似的物质中寻找,以缩小范围.A,B可能是FeS和 FeS2. 方法二:根据\和B煅烧时都生成C(固体)和D(气体)\可知,在学过的物质中只有FeS 和FeS2为满足这一条件的化合物. 方法三:从淡黄色沉淀和红褐色沉淀突破:两化合物中含有共同的元素应是硫和铁,不难 知道A,B分别是FeS和FeS2. 【答案】(1)A,B分别是FeS和FeS2. (2)①:4FeS2+11O2=== 2Fe2O3+8SO2或4FeS+7O2=== 2Fe2O3+4SO2(高温)②: 2SO2+O2+2H2O=2H2SO4 ③:FeS+H2SO4=FeSO4+H2S↑ ④:SO2+2H2S=3S↓+2H2O

⑤:6FeSO4+3Br2=2Fe2(SO4)3+2FeBr3

⑥:Fe2(SO4)3+6KOH=2Fe(OH)3↓+3K2SO4 或FeBr3+3KOH= Fe(OH)3↓+3KBr⑦:2 Fe(OH)3=Fe2O3+3H2O 将SO2和O2以体积比为1: 3混合后, 通入接触室发生反应2SO2(g)+O2(g) ≈ 2 SO3(g), 例4. 达平衡时,在同温,同压下测得反应前与反应后混合气体的密度之比为71:80.求SO2的转化 率?并回答SO2接触氧化为SO3时不采取加压措施的原因. 【解析】 这是一道关于化学平衡和转化率的综合计算题.根据相同条件下气体的密度之比 等于同体积气体的质量之比, 且反应前后质量守恒, 可得出气体的密度之比等于气体体积的反比. 设反应前混合气体中SO2的体积为1 L,O2 应为3 L达平衡时SO2的转化的体积为x . 2SO2(g)+O2(g) ≈ 2 SO3(g) V/L(起始) V/L(转化) 1 2x 3 x 3-x 0 2x 2x 4-x 总体积 4L V/ L(平衡)1-2x

根据气体的密度之比等于气体体积的反比,可得: 71:80=(4-x):4 x=0.45L,则转化的二氧化硫为0.9L,

二氧化硫的转化率为:0.9L÷1L×100%=90% 在工业上不加压,SO2的转化率就达90% 以上,已经很高,若再加压SO2的转化率提高不大, 但对设备的要求要提高许多,故没有必要再加压.. 例5.为了防治酸雨,减少煤燃烧时向大气排放的SO2,工业上通过生石灰和含硫的煤混合 使用可以\固硫\避免硫化合物进入大气),最后生成石膏.试回答: (1)整个\固硫\反应所涉及的反应类型包括:①化合②分解③置换④复分解⑤氧化还原反应 ⑥非氧化还原反应⑦离子反应⑧非离子反应(分子反应).其中正确的是 A.①⑤⑥⑦ B.①②③⑤⑧ C.①⑤⑥⑧ D.②④⑤⑦

(2) 第一步\固硫\反应的化学方程式中所需气态物质的化学计量数之和为 A.1 B. 2 C.3 D.4

(3)比较此法与\石灰石粉末与含硫煤混合\法哪个更好些?为什么? (4)你认为减少酸雨产生可采取的措施是 ①少用煤作燃料②把工厂的烟囱造高 ③先将燃料煤脱硫 ④在土壤中

加石灰防止酸化 ⑤开发新 能源,避免含S,N的氧化物大量排放 A.①②③ B.②③④⑤ C.①③⑤ D.①③④⑤

【解析】 (1)在含硫的煤中加生石灰\固硫\的反应是CaO+ SO2= CaSO3, 2CaSO3+O2= 2CaSO4,可见所涉及到的反应类型有化合,氧化还原反应,非氧化还原反应和非离子反应. (2)易错选B.主要是不清楚哪一个反应是第一步\固硫\反应. (3)有的学生误答\石灰石粉末与含硫煤混合\法更好.忽略了石灰石分解为CaO需消耗 很高能量,浪费煤,使生产成本提高. (4)易错选A,B或D.错误的原因是不能正确应用已有知识全面分析具体问题.把烟囱造 高不能减少SO2的排放量; 在土壤中施放石灰虽可中和酸雨造成的酸性, 但由于生成CaSO4,长期使 用会使土壤板结,影响土质. 【答案】? C;? A;? 在含硫煤中加入生石灰的方法更好,因为此法节约煤,成本低; ? C 例6.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(NH4)2SO4,有人设计了如下方案:在400℃时,尾气以5 m /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(NH4)2SO4晶体(气体的体积已转为标准状况).请回答下列问题: (1)按反应中的理论值,SO2和O2的体积比为2:1,但实际生产中这个比值是多少?为什么? 3

(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 10000 m3 尾气,求该厂每月(按 30 天计算)可得到(NH4)2SO4 的质量为

多少? 【解析】(1)根据2SO2+O2 ≈ 2 SO3,SO2和 O2按2:1(体积比)的理论值反应,但实 际上v(SO2):v(O2)=0.2%:10%=1:50.根据化学平衡移动原理,增大廉价的氧气的浓度,可使反 应:2SO2(g)+O2(g) ≈ 2 SO3(g)向生成三氧化硫方向移动,这样可以增大较贵重的二氧化硫的 转化率. (2) 2 V(NH3) 2NH3 ～ 1 5×10 ×0.2%L/h 3 SO2

v(NH3)=20L/h

(3) 根据2SO2+O2 ≈ 2 SO3,以及SO3+H2O+2NH3=(NH4)2SO4 得关系式: SO2 ～ 2NH3～ (NH4)2SO4 22.4L 10 L×0.2%×30 6 7

132g m[(NH4)2SO4]

m[(NH4)2SO4]=3.54×10 g=3.54t

含FeS265%的硫铁矿在煅烧时有1.8%的硫损失而混入炉渣, 二氧化硫转化为三氧化硫 例7 . 的利用率为99%.由这种硫铁矿制2t98%的硫酸,需硫铁矿多少吨? 【解析】通过本题的计算进一步掌握物质纯度,转化率,产率的计算关系式,并在多步反应 中找出量的相当式进行简捷的计算. 题中65%为硫铁矿的纯度, 有1.8%的硫损失也即是1.8%的FeS2损失, 二氧化硫的利用率 (转 化率)也即是FeS2的利用率.设需这种硫铁矿的质量为x. 解法一: FeS2 120 x×65%(1-1.8%)×99% 解法二: S 32 64/120x×65%×(1-1.8%)×99% 2H2SO4 2×98 2t×98% H2SO4 98 2t×98% x=189.9t x=189.9t

评注:确定关系式的关键是根据硫元素守恒.要注意运用某一种化合物中元素的损失率=该 化合物的损失率.另外,耗损和利用率,产率和纯度的关系要处理正确.关系式多用于工业生产 中的计算题. 例8.某设计院承担某硫酸厂的设计任务,该厂要求:①为了控制污染和提高生产效率,不 再使用黄铁矿,改用固体硫为原料.②改二次送风(鼓入空气)为一次送风,即送风后使硫充分 燃烧,并在下一步催化氧化时不再补充空气.③每天生产50t98%的硫酸.④送风机每天输送空气 的体积为5000m /台(标准状况). (1)每天消耗含95%的固体硫多少吨? (2)理论上应安装多少台送风机? (3)固体硫充分燃烧后的混合气体中氧气的体积分数ф(O2)

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