-學年高中化學 主題 礦山資源 、硫酸與無機材料制造 課題“設(shè)計”一座硫酸廠學案 魯科版選修

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1、 課題1　“設(shè)計”一座硫酸廠 1．知道工業(yè)上制硫酸的主要原料，能寫出以硫鐵礦為原料制硫酸的主要化學方程式，并能舉例說明硫酸生產(chǎn)中原料與生產(chǎn)過程的關(guān)系，能說出接觸法制硫酸有哪些主要生產(chǎn)階段，能運用化學平衡原理分析二氧化硫催化氧化反應(yīng)的適宜條件，能看懂表示化學反應(yīng)過程中熱量變化的熱化學方程式，知道工業(yè)上用濃硫酸吸收三氧化硫的原因。(重點) 2．知道選擇硫酸廠廠址應(yīng)考慮哪些主要因素。 3．知道接觸法制硫酸廢氣處理的主要方法，能列舉廢渣綜合利用的途徑。(重難點) 4．知道建設(shè)一座化工廠需要綜合考慮哪些基本問題，達到哪些基本要求，體會建造化工廠和實施工業(yè)生產(chǎn)是一項綜合、復雜的系統(tǒng)過程。(難

2、點) 選用哪種原料 1.硫鐵礦制硫酸 (1)二氧化硫爐氣的制備 設(shè)備A名稱為沸騰爐，其中進行的反應(yīng)的化學方程式是4FeS2＋11O22Fe2O3＋8SO2；設(shè)備A中產(chǎn)生的氣體叫做爐氣，進入設(shè)備B中時須經(jīng)過凈化和干燥處理。 (2)二氧化硫的催化氧化 設(shè)備B名稱為轉(zhuǎn)化器，其中進行的反應(yīng)的化學方程式是2SO2＋O22SO3；設(shè)備B中部的裝置叫換熱器，其作用是使反應(yīng)后的氣體降溫并預熱未反應(yīng)的氣體。 (3)三氧化硫的吸收 設(shè)備C名稱為吸收塔，其中進行的反應(yīng)的化學方程式為SO3＋H2O===H2SO4；設(shè)備C中不用水或稀硫酸而使用98.3%的硫酸吸收SO3的原因是防止形成酸

3、霧，提高SO3的吸收率。 2．硫黃制硫酸 (1)反應(yīng)流程 SSO2SO3H2SO4。 (2)與硫鐵礦相比的優(yōu)點 ①爐氣無須凈化；②原料運輸量小，生產(chǎn)流程簡單，設(shè)備少，建設(shè)投資省，熱能便于回收利用，無廢渣排出。 1．礦石燃燒前為什么要粉碎成細小礦粒？ 【提示】　增大礦石與空氣的接觸面積，加快反應(yīng)速率。 廠址選在哪里 1.廠址應(yīng)符合國家工業(yè)布局及城市或地區(qū)的規(guī)劃要求。 2．廠址的選擇涉及原料、交通運輸、水源、能源、土地資源、自然地質(zhì)條件、市場需求和環(huán)境保護等諸多因素。 3．宜靠近原料供應(yīng)地和產(chǎn)品銷售地，理想的方案是硫酸廠與硫酸的消費者或與原料氣的供應(yīng)者組成聯(lián)合企業(yè)。

4、 4．廠址所在地區(qū)應(yīng)有充足的水源保證和熱電供應(yīng)，盡可能靠近交通運輸線。 5．廠址應(yīng)避免建在人口稠密的居民區(qū)、旅游景點和文物保護區(qū)。 6．選廠址時應(yīng)注意當?shù)刈匀坏乩憝h(huán)境，地震、洪水、泥石流等自然災害多發(fā)地區(qū)不宜建廠。 2．硫酸工廠廠址選擇時，考慮諸多因素的原因是什么？ 【提示】　提高綜合經(jīng)濟效益，減少環(huán)境污染。 如何利用廢氣和廢渣 1.工業(yè)“三廢”指化工生產(chǎn)中排放的氣體、液體、固體污染物。 2．硫酸工廠排放的污染物主要是含二氧化硫的尾氣、固體燒渣等。 3．處理SO2的方法——氨－酸法 (1)產(chǎn)生NH4HSO3的反應(yīng)：NH3＋SO2＋H2O===NH4HSO3。 (2)

5、產(chǎn)生(NH4)2SO3的反應(yīng)：2NH3＋H2O＋SO2===(NH4)2SO3。 (3)產(chǎn)生(NH4)2SO4的反應(yīng)：2NH4HSO3＋H2SO4===(NH4)2SO4＋2SO2↑＋2H2O、(NH4)2SO3＋H2SO4===(NH4)2SO4＋SO2↑＋H2O。 (4)廢渣的利用：燒渣除了含有氧化鐵、二氧化硅、氧化鋁等外，還含有一定量的銅、鋅、鉛、鈷等有色金屬及少量的金、銀等貴金屬。 3．酸雨是呈酸性的雨水嗎？ 【提示】　純水是顯中性的，pH約是7；雨水在下落過程中二氧化碳會溶于水，略呈酸性，pH為5.6。被大氣中存在的酸性氣體如SO2等污染，pH小于5.6的雨才叫酸雨。

6、 硫酸工業(yè)生產(chǎn)工藝及反應(yīng)條件的選擇 【問題導思】　 ①硫酸工業(yè)生產(chǎn)工藝中“三原料”、“三階段”、“三反應(yīng)”分別指什么？ 【提示】　見要點1。 ②SO2催化氧化反應(yīng)有哪些特點？ 【提示】　a．可逆反應(yīng)；b.氣體總體積減小的反應(yīng)；c.放熱反應(yīng)。 ③適宜SO2催化氧化的條件是什么？ 【提示】　常壓、400～500 ℃、催化劑 1．工業(yè)制硫酸的原理及過程 三原料 三階段 三反應(yīng)(均放熱) 硫黃 造氣 S(s)＋O2(g)===SO2(g) 空氣 催化氧化 2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g) 98.3% 濃硫酸 SO3 的吸收 SO3(g)＋H2O

7、(l)===H2SO4(l) (用98.3%硫酸吸收) 2.硫酸生產(chǎn)的工藝流程 3．硫酸工業(yè)SO2催化氧化適宜條件的選擇 SO2(g)＋O2(g)SO3(g) ΔH＝－98.3 kJ·mol－1 這是一個氣體分子總數(shù)減小的、放熱的可逆反應(yīng)。 (1)溫度 SO2催化氧化是一個放熱的可逆反應(yīng)，根據(jù)化學平衡移動理論判斷，溫度較低對提高SO2的轉(zhuǎn)化率有利。但是，溫度較低時催化劑活性不高，反應(yīng)速率低。在實際生產(chǎn)中，選定400～500 ℃作為操作溫度，這時反應(yīng)速率和SO2的轉(zhuǎn)化率都比較理想。 (2)壓強 SO2催化氧化是一個氣體分子總數(shù)減小的可逆反應(yīng)，根據(jù)化學平衡移動理論判斷，增大

8、壓強對提高SO2的平衡轉(zhuǎn)化率有利。但是，在常壓、400～500 ℃時，SO2的平衡轉(zhuǎn)化率已經(jīng)很高，因高壓條件對設(shè)備提出了苛刻的要求，增大壓強必須增大投資和能量消耗，故在實際生產(chǎn)中，通常采用常壓操作。 (3)適當過量的空氣 目的是提高SO2的轉(zhuǎn)化率。 綜上所述，催化氧化的適宜條件是常壓、較高的溫度(400～500 ℃)和催化劑。 　以黃鐵礦為原料，采用接觸法生產(chǎn)硫酸的流程如下圖所示： 請回答下列問題： (1)在爐氣制造中，生成SO2的化學方程式為____________________________ ______________________________________

9、_________________________。 (2)爐氣精制的作用是將含SO2的爐氣____________、________及干燥，如果爐氣不經(jīng)過精制，對SO2催化氧化的影響是_____________________________ ______________________________________________________________。 (3)精制爐氣(含SO2體積分數(shù)為7%、O2為11%、N2為82%)中SO2平衡轉(zhuǎn)化率與溫度及壓強關(guān)系如下圖所示。在實際生產(chǎn)中，SO2催化氧化反應(yīng)的條件選擇常壓、450 ℃左右(對應(yīng)圖中A點)，而沒有選擇SO2轉(zhuǎn)化率更

10、高的B或C點對應(yīng)的反應(yīng)條件，其原因分別是__________________________________________ _______________________________________________________________， ________________________________________________________________ ______________________________________________________________。 (4)在SO2催化氧化設(shè)備中設(shè)置熱交換器的目的是 ___________

11、____________________________________________________、 _______________________________________________________________， 從而充分利用能源。 【答案】　(1)4FeS2＋11O22Fe2O3＋8SO2 (2)除塵　水洗　礦塵、砷、硒等化合物使催化劑中毒，水蒸氣對設(shè)備和生產(chǎn)有不良影響 (3)不選B點，因為壓強越大對設(shè)備的投資大，消耗的動能大；SO2原料的轉(zhuǎn)化率在常壓(0.1 MPa)下的轉(zhuǎn)化率已是97%左右，再提高壓強，SO2的轉(zhuǎn)化率提高的余地很小，所以采用常壓 不選擇

12、C點，因為溫度越低，SO2轉(zhuǎn)化率雖然更高，但催化劑的催化作用受影響，450 ℃時，催化劑的催化效率最高。故選擇A點，不選C點 (4)利用反應(yīng)放出的熱量，預熱原料氣體使之達到反應(yīng)所需溫度(約450 ℃)　反應(yīng)后的氣體得到冷卻便于下一步的吸收(答案合理均可) 1．下列關(guān)于硫酸工業(yè)生產(chǎn)過程的敘述錯誤的是(　　) A．在接觸室中使用鐵觸媒作催化劑 B．在接觸室中運用熱交換技術(shù)可充分利用能源 C．把硫鐵礦磨成細粉末，可以提高原料的利用率 D．該反應(yīng)采用450～500℃主要是因為該溫度下催化劑活性好 【解析】　硫酸工業(yè)生產(chǎn)中，在接觸室中用以V2O5為主的催化劑，使SO2氧化為SO3，

13、A項錯誤；使用熱交換裝置可節(jié)約能源，B項正確；把硫鐵礦磨碎可增大其與氧氣的接觸面，使反應(yīng)更充分，速率更快，可提高原料的利用率，C項正確；反應(yīng)溫度采用450～500℃是因為該溫度下催化劑活性最高，D項正確。 【答案】　A 硫酸生產(chǎn)中“三廢”的處理 【問題導思】　 ①空氣中SO2含量過多時，易造成酸雨，什么是酸雨？ 【提示】　酸雨指pH<5.6的雨水，主要有硫酸型和硝酸型酸雨。 ②用石灰水吸收SO2，再用硫酸處理，發(fā)生反應(yīng)的化學方程式是什么？ 【提示】　Ca(OH)2＋SO2===CaSO3↓＋H2O，CaSO3＋H2SO4===CaSO4＋SO2↑＋H2O。 1．尾氣吸收

14、工業(yè)生產(chǎn)硫酸的尾氣是從吸收塔的上部排出的，其中含有二氧化硫，二氧化硫既是重要的化工原料，又是嚴重的大氣污染物。從化學反應(yīng)原理方面來說，工業(yè)上回收二氧化硫的方法較多，可用石灰水吸收，再用硫酸處理： SO2＋Ca(OH)2===CaSO3↓＋H2O CaSO3＋H2SO4===CaSO4＋SO2↑＋H2O 這樣得到的二氧化硫含量較高，可返回用作原料，硫酸鈣也是重要的化工原料。 2．污水處理 硫酸生產(chǎn)過程中的污水，含有酸性物質(zhì)，一般用堿性物質(zhì)將其中和。如石灰乳、純堿跟硫酸反應(yīng)的化學方程式為Ca(OH)2＋H2SO4===CaSO4＋2H2O， Na2CO3＋H2SO4===Na2SO4＋

15、H2O＋CO2↑。 3．廢渣的利用 化工生產(chǎn)中的廢渣，一般是由未反應(yīng)的固體原料或是在生產(chǎn)過程中生成的固體所形成的?；U渣屬于環(huán)境污染物，但許多化工廢渣都有一定程度的利用價值。 目前廢渣的綜合利用方法主要是回收利用廢渣中的鐵、有色金屬及貴金屬等，其中Fe2O3含量高的廢渣可用作高爐煉鐵的原料，金屬含量低的可用于制磚。 環(huán)境保護一般采用的方法： ①嚴格治理“三廢”，嚴格執(zhí)行國家關(guān)于“三廢”的排放標準。 ②將“三廢”變成有用的副產(chǎn)品，實行綜合利用。 ③建立無廢物排出的“封閉式生產(chǎn)”，實行綠色生產(chǎn)。 ④保護生態(tài)環(huán)境。 ⑤人人建立環(huán)境保護的意識，減少廢棄物的排放。 　下

16、面是一種燃煤煙氣脫硫方法的原理：用氨水將SO2轉(zhuǎn)化為NH4HSO3，再氧化成(NH4)2SO4。 其中氨水吸收燃煤煙氣中SO2的化學反應(yīng)為 2NH3＋SO2＋H2O===(NH4)2SO3 (NH4)2SO3＋SO2＋H2O===2NH4HSO3 能提高燃煤煙氣中SO2去除率的措施有________(填字母)。 ①增大氨水濃度?、谏叻磻?yīng)溫度　③使燃煤煙氣與氨水充分接觸?、芡ㄈ肟諝馐笻SO轉(zhuǎn)化為SO A．①②　 B．①②③④ C．①③ D．②③④ 【解析】?、佗劬梢蕴岣呷济簾煔庵卸趸虻娜コ剩虎谏邷囟?，氣體溶解度降低，反而會降低二氧化硫的去除率；④通入空氣不僅能氧化HS

17、O，還能氧化第一步反應(yīng)生成的SO，導致第二步反應(yīng)不能發(fā)生，二氧化硫的去除率降低。 【答案】　C 2．接觸法生產(chǎn)硫酸的過程中，對廢氣、廢水、廢渣、廢熱的處理正確的是 (　　) 【導學號：28920032】 ①尾氣用氨水處理?、谖鬯檬胰樘幚怼、蹚U渣用來造水泥、煉鐵　④設(shè)置廢熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽、供熱或發(fā)電 A．①② B．①③④ C．①②③ D．①②③④ 【解析】　硫酸廠尾氣中含有SO2，可用氨水吸收處理；硫酸廠廢水中含有硫酸可用石灰乳中和；硫酸廠廢渣中含有SiO2、Fe2O3等，可用于制造水泥、煉鐵；由于硫酸生產(chǎn)過程中三個化學反應(yīng)都是放熱反應(yīng)，可以充分利用這些反應(yīng)放出的熱能來降低生

18、產(chǎn)成本。 【答案】　D 1．工業(yè)用FeS2制硫酸的3種原料： 黃鐵礦、空氣、98.3%的硫酸。 2．工業(yè)制硫酸的3種設(shè)備： 沸騰爐、轉(zhuǎn)化器、吸收塔。 3．工業(yè)制硫酸的3個反應(yīng)： 4FeS2＋11O22Fe2O3＋8SO2 2SO2＋O22SO3 SO3＋H2O===H2SO4 1．下列有關(guān)接觸法制硫酸的敘述不正確的是(　　) A．用S代替硫鐵礦，可減少環(huán)境污染 B．爐氣只含SO2，進接觸室之前不需要凈化 C．熱交換的目的，一方面使即將參加反應(yīng)的氣體達到一定溫度，另一方面降低SO3的溫度 D．尾氣要處理后才能排放到空氣中 【解析】　因硫鐵礦石中含雜質(zhì)成分較多

19、，故對環(huán)境產(chǎn)生污染也較多；爐氣中除含SO2外，還有O2、N2等，煅燒FeS2的爐氣進入接觸室前必須凈化。 【答案】　B 2．化工廠廠址選擇是一個復雜的問題，受到原料、水源、能源、土地供應(yīng)、市場需求、交通運輸和環(huán)境保護等諸多因素的制約，硫酸廠應(yīng)建在(　　) ①靠近原料產(chǎn)地，遠離消費中心的地區(qū)　②靠近消費中心，稍偏離原料產(chǎn)地的地區(qū)?、劢煌ū憷?，人口稠密的居民區(qū)?、墉h(huán)保要求高的地區(qū)，便于“三廢”的治理 A．①②③④　　　　　　 B．①③④ C．①②④ D．② 【解析】　因硫酸是一種強腐蝕性液體，運輸極不方便，需要較高的成本，所以硫酸工廠廠址選擇上首先要考慮建在②且遠離環(huán)保要求高的地區(qū)。

20、 【答案】　D 3．現(xiàn)有以下幾種措施：①對燃燒煤時產(chǎn)生的尾氣進行除硫處理，②少用原煤做燃料，③燃煤時鼓入足量空氣，④開發(fā)清潔能源。其中能減少酸雨產(chǎn)生的措施是(　　) A．①②③ B．②③④ C．①②④ D．①③④ 【解析】　酸雨產(chǎn)生的原因在工業(yè)城市中主要是由含硫煤的燃燒引起的，對煤進行脫硫處理，少用煤作燃料，開發(fā)新能源，都能減少SO2排放。燃煤時鼓入足量空氣只能使煤充分燃燒，無法減少SO2的排放。 【答案】　C 4．關(guān)于接觸法制硫酸的敘述中，不正確的是(　　) 【導學號：28920033】 A．從沸騰爐出來的爐氣必須凈化，主要目的是防止催化劑中毒 B．之所以叫“接觸法”是因

21、SO2被氧化成SO3時反應(yīng)是在催化劑表面進行的 C．黃鐵礦粉碎成細小礦粒，在沸騰爐中燃燒快、反應(yīng)完全，提高了原料的利用率 D．SO3用稀硫酸吸收而不用水吸收，可防止形成酸霧并使SO3吸收完全 【解析】　SO3用濃H2SO4吸收而不是用稀H2SO4或水吸收。 【答案】　D 5．為了探究工業(yè)制硫酸的生產(chǎn)原理，某校的化學興趣小組仿照工業(yè)制硫酸的流程設(shè)計了如下圖所示的實驗裝置。 (1)硫黃與O2反應(yīng)的化學方程式為___________________________________。 (2)圖中甲裝置的作用為______________________________________

22、______ _______________________________________________________________。 圖中乙裝置相當于工業(yè)制取硫酸裝置中的___________________________。 (3)在催化劑表面所發(fā)生反應(yīng)的化學方程式為__________________________ _______________________________________________________________。 (4)乙反應(yīng)器內(nèi)要求O2的量比SO2的量多一倍左右，你是如何控制與估計的？__________________________

23、______________________________________ _______________________________________________________________。 (5)實驗過程中，當催化劑V2O5表面紅熱后，應(yīng)將酒精燈移開一會兒后再繼續(xù)加熱，其原因是_____________________________________________________ _______________________________________________________________。 (6)某學生為了探究工業(yè)上為何采用98%的硫酸吸收SO3而

24、不用水，用上述丙、丁裝置進行了模擬實驗。丙中的現(xiàn)象為________，丁中的現(xiàn)象為________。 (7)處理尾氣的方法為_____________________________________________。 【解析】　該實驗的裝置是仿照工業(yè)制備硫酸的流程設(shè)計出來的，是一套微型的工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備，聯(lián)系工業(yè)生產(chǎn)硫酸的原理、設(shè)備和化學平衡知識可解答相關(guān)問題。 【答案】　(1)S＋O2SO2 (2)①干燥O2和SO2；②使O2和SO2混合均勻；③便于通過觀察氣泡的產(chǎn)生速率，控制O2和SO2的比例　催化反應(yīng)室 (3)2SO2＋O22SO3 (4)可以通過調(diào)節(jié)氣閥，控制氣體流量，觀察甲裝置產(chǎn)生氣泡的速率，估計SO2和O2的量 (5)該反應(yīng)是放熱的可逆反應(yīng)，溫度過高，平衡逆向移動，不利于SO3的生成，且影響催化劑的活性 (6)無酸霧　有酸霧 (7)用堿液吸收 - 10 -