苏教化学选修化学与技术专题2第三单元

欢迎进入化学课堂 第三单元硫酸工业 课堂互动讲练 知能优化训练 课前自主学案 学习目标 第三单元硫酸工业 学习目标1 掌握接触法制硫酸的化学原理 2 了解硫酸的生产工艺和几个典型设备 3 认识环保的重要性 了解硫酸工业 三废 治理的方法 课前自主学案 一 接触法制硫酸的化学原理第一步 硫磺或硫铁矿的燃烧氧化 化学方程式为 或 S O2SO2 4FeS2 11O22Fe2O3 SO2 第二步 二氧化硫的催化氧化 化学方程式为 第三步 三氧化硫的吸收 化学方程式为 SO3 H2O H2SO4 2SO2 O22SO3 二 硫酸的生产工艺1 硫磺或硫铁矿的燃烧从硫铁矿制造二氧化硫 是先将 放在 中 从该炉下部通入空气 在高温下鼓入炉中的 把矿石小颗粒扬起 呈沸腾状燃烧氧化 矿物粉碎 沸腾焙烧炉 空气 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 有的对反应设备有 作用 有的使制得的硫酸 所以 从沸腾焙烧炉出来的高温炉气需要经过 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 原料 催化剂中毒 失效 腐蚀 带色 冷却 除尘和酸洗 炼铁 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 的接触室 氧化生成三氧化硫 二氧化硫的催化氧化是一个放热的 反应 反应在 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 吸收 得到浓硫酸或发烟硫酸 不用水来吸收三氧化硫是因为 催化剂 可逆 450 98 3 硫酸 避 免产生酸雾从而降低吸收效率 思考感悟1 假如你是化工专家 为提高的转化率 会采用哪些措施 提示 增加SO2或O2的浓度 降低SO3浓度 降低温度 反应物浓度越高 生成物浓度越低 反应的平衡向正反应方向移动 因为该反应放热 所以降低温度 平衡正向移动 虽然增大压强能促进平衡正向移动 但是常压下该反应转化率已经很高 加压之后转化率提高很少 所以不需要增大压强 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 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 等 一般用 中和硫酸 形成的 可以吸附重金属离子使污水净化 炼铁制造硫酸铁 氧化铁红颜料 微量H2SO4 氟化物 铁离子 铅离子 石灰 氢氧化铁 絮状沉淀 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 L L 1 就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 思考感悟2 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 SO2 NH3 H2O NH4HSO3SO2 2NH3 H2O NH4 2SO32NH4HSO3 H2SO4 NH4 2SO4 2SO2 2H2O NH4 2SO3 H2SO4 NH4 2SO4 SO2 H2O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 Ca OH 2 H2SO4 CaSO4 2H2O 后与Fe3 反应 3Ca OH 2 Fe2 SO4 3 3CaSO4 2Fe OH 3 Fe OH 3絮状沉淀可以吸附废水中的重金属离子 从而净水 课堂互动讲练 1 三原料 硫铁矿 FeS2 空气 水接触法制硫酸一般可以用硫磺 硫铁矿 石膏 有色金属冶炼厂的烟气 含一定量的SO2 等 其中用硫磺作原料成本低 对环境污染少 我国硫磺资源较少 主要用硫铁矿 主要成分为FeS2 作生产硫酸的原料 2 三反应 3 三设备 沸腾炉 接触室 吸收塔4 三原理 化学平衡原理 热交换原理 逆流原理 1 化学平衡原理 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 5 二氧化硫接触氧化适宜条件常压 较高温度 400 500 和催化剂 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石粉碎 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C SO2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400 500 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的措施叙述都是正确的 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 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 SO2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的转化率 接触室控制反应的温度在400 500 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 点评 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 要从最本质上分析实际操作的原因 以免被一些次要问题所迷惑 解析 选D 理论上 可转化成SO2的任何含硫物质均可作为硫酸的生产原料 如S FeS FeS2 H2S等 但在生产实践中 应选取那些储量大 矿质品位高 资源丰富 便于开采和加工的矿物作为化工原料 综合分析 A正确 生产中对矿石进行粉碎 既可增大原料之间的相互接触面积 增大反应速率 又可提高原料的利用率 转化率 故B正确 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400 500 的温度 2 压强 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 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 N282 1 已知SO2的催化氧化是放热反应 如何利用表中数据推断此结论 2 在400 500 时 SO2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的吸收率 实际生产中用 吸收SO3 5 已知 2SO2 g O2 g 2SO3 g H 196 6kJ mol 计算每生产一万吨98 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 可逆反应 2SO2 g O2 g 2SO3 g H 196 6kJ mol 1分析表格中数据 1 压强相同时 升高温度 SO2的转化率减小 故升温 上述反应的平衡向逆反应方向移动 则正反应为放热反应 2 400 500 范围内常压下SO2的转化率在97 8 以上 再增大压强对提高SO2的转化率无显著影响 反而会增大成本 故不需要再采用高压措施 3 催化剂只能加快反应速率 提高单位时间内的产量 不能提高SO2的转化率及增大反应过程中放出的热量 4 实际生产中 不是用H2O吸收SO3 而是用98 3 的浓硫酸吸收 可以避免形成酸雾并提高吸收率 5 一万吨98 的H2SO4溶液中含H2SO4的质量为9 8 109g 答案 1 压强一定时 温度升高 SO2的转化率下降 说明升温有利于反应向逆反应方向进行 所以正反应为放热反应 2 增大压强对提高SO2的转化率无显著影响 反而会增加成本 3 否否 4 98 3 的浓硫酸 5 8 0 103t9 83 109kJ 点评 化工生产条件的选择是理论联系实际生产的一个重要应用 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 又会考虑实际生产中的问题 变式训练2接触法制硫酸时 反应的重要条件是 双选 A 二氧化硫必须提纯B 必须用纯氧不可用空气C 催化剂需要加热D 三氧化硫需用稀硫酸吸收 解析 选AC 接触法制硫酸时制得的SO2必须先除去其中所含的杂质 因为炉气中含有的水蒸气进入接触室后与SO2反应生成的酸会腐蚀设备 对设备带来不良影响 砷 硒化合物和矿尘等能使催化剂中毒 因而进行催化氧化反应前必须先进行除杂等操作 制H2SO4时使用的是空气而不是纯氧 进行SO2的催化氧化时使用的温度是400 500 对三氧化硫进行吸收时使用98 3 的浓H2SO4 因为使用水或稀硫酸会容易形成酸雾 妨碍吸收的进行 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 才能做出合理的选择 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 能源是否充足且价廉 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 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 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2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 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会导致酸雨 使Y处等的河水pH降低 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 或其他合理答案 任选2条即可 点评 本题考查了有关化学与环境保护的相关知识 关注有关化学与环境保护的综合应用方面的命题 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 变式训练3读某城市的城市布局示意图 回答有关问题 煤炭基地 大型硫酸厂 自来水厂 疗养院 大型商场 食品厂 化工厂 造纸厂 污水处理厂 高等院校 1 该城市布局是否合理 请分析原因 2 图中 处分布大型硫铁矿 主要成分是FeS2 写出制取二氧化硫 三氧化硫的化学方程式 3 接触法制硫酸的尾气中还含有少量的二氧化硫 如果排入大气 就会造成环境污染 你认为该企业应该采用什么方法回收 利用尾气中的二氧化硫 写出有关反应的化学方程式 4 该市经济发达 每天有大量的汽车排放氮氧化合物 碳氢化合物 以及企业 家庭炉灶排放大量的二氧化硫 二氧化碳等 会导致市民心脏出现什么问题 该市应采取哪些措施防治大气污染 解析 1 煤炭基地 大型硫酸厂 化工厂布局合理 理由是它们都接近原料基地 且在垂直风向的郊外 自来水厂 疗养院 大型商场 食品厂布局合理 自来水厂在河流上游 不受或少受污染 分布在居民区中心地带 造纸厂不合理 理由是 它位于夏季风的上风地带 且离居民区 高等院校较近 大气污染严重 铁路穿过市区不合理 因为噪声污染 大气污染严重 3 氨吸收法 SO2 2NH3 H2O NH4 2SO3 NH4 2SO3 H2SO4 NH4 2SO4 SO2 H2O 4 心脏供氧不足 心脏收缩性减弱 因而心脏输出量减少 该市应采取的措施是 大力植树造林 限制大量汽车将碳氢化合物 氮氧化合物排入大气 采用科学技术对硫酸厂 化工厂 造纸厂 煤炭基地的废气进行回收处理 创造条件 将造纸厂迁移到远离市区的郊外等等 答案 1 煤炭基地 大型硫酸厂 化工厂布局合理 自来水厂 疗养院 大型商场 食品厂布局合理 造纸厂不合理 铁路穿过市区不合理 2 3 4 答案见解析 同学们 来学校和回家的路上要注意安全 同学们 来学校和回家的路上要注意安全