高中化学苏教版 (2019)必修 第一册第一单元 含硫化合物的性质第二课时学案

第二课时　硫酸的工业制备　浓硫酸的性质

1．了解硫酸的工业制法，培养科学态度与社会责任的化学学科核心素养。

2．能根据硫酸的性质，设计简单的实验方案，完成操作，观察现象，并对实验现象作出解释，培养科学探究与创新意识的化学学科核心素养。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

1．流程与设备

2．三个步骤、原料、设备和反应原理

[问题探讨]

1．如何选择工业制硫酸的方法？

提示：一方面：从原料的来源、反应条件、反应过程等考虑。从硫元素化合价变化、物质类别两个角度分析物质转变流程：FeS2(S)―→SO2―→SO3―→H2SO4，一般的燃烧条件不足以使FeS2或硫生成SO3，需要催化剂、450 ℃左右才能使SO2转化为SO3。另一方面：还需要考虑当地资源、工艺流程与设备、原料利用率、能源消耗、环境保护、污染防治等综合经济效益。如：硫黄制硫酸与硫铁矿制硫酸进行对比，工艺流程、设备相对简易，炉气杂质少，不产生矿渣，但硫黄原料价格高于硫铁矿。具体选用何种方案还应根据当地实际条件和要求决定。

2．为什么叫沸腾炉？从沸腾炉出来的二氧化硫气体为什么需除尘、净化？

提示：硫铁矿被从炉底通入的空气吹得像沸腾了的液体一样，所以叫沸腾炉。从沸腾炉出来的二氧化硫混有杂质，直接通入接触室中会使接触室中的催化剂“中毒”，混有的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。

3．接触室中的热交换器起什么作用？

提示：接触室中二氧化硫与氧气生成三氧化硫的反应过程放热，同时该反应又需要在450 ℃左右进行，故热交换器能将该反应放出的热量用来预热未反应的二氧化硫与氧气的混合气体，同时冷却生成的三氧化硫，降低能耗。

4．为什么要用98.3%的浓硫酸吸收三氧化硫而不用水？浓硫酸为什么从塔顶喷下？

提示：防止三氧化硫溶于水或稀硫酸时反应放出大量热，形成酸雾，降低吸收效率。浓硫酸从塔顶喷下，目的是增大三氧化硫与吸收剂浓硫酸的接触面积，提高吸收效率。

[名师点拨]

1．工业制硫酸中为了提高硫酸的产率采取的措施

(1)适当增加反应物浓度。燃烧硫铁矿时通入过量的廉价空气使之充分燃烧。

(2)增大接触面积。粉碎硫铁矿，吸收塔中填充瓷环，采取逆流方式。

(3)使用催化剂。接触室中用V2O5作催化剂，加快反应速率。

(4)循环利用反应物。吸收塔上部导出的气体再次通入接触室，进行第二次氧化、再吸收。

2．工业制硫酸中的“三废”处理

(1)废气：尾气中主要含有N2、O2、SO2、SO3，直接排放会污染大气。常见的处理方法有碱液吸收法等。

用氨水吸收：SO2＋2NH3·H2O===(NH4)2SO3＋H2O、SO2＋NH3·H2O===NH4HSO3。

当吸收液中NH4HSO3达一定浓度后，再与浓硫酸反应放出SO2气体，生成硫酸铵：2NH4HSO3＋H2SO4===(NH4)2SO4＋2H2O＋2SO2↑。(NH4)2SO4作肥料，SO2重新通入接触室被氧化，循环利用。

(2)废液：呈酸性，用石灰乳处理污水。

(3)废渣：含Fe2O3，可用作炼铁原料，或用作制水泥、制砖的原料等。

3．化学工业制备的要求

(1)原料廉价且稳定，最好能结合本地地理环境的优势资源，以降低运输成本。

(2)从环保、成本等角度选择合适的化学反应，设计合理的反应装置，对原料进行粉碎等预处理，使得原料尽可能地被富集，保证在反应中能充分接触。

(3)制备流程简单高效，能耗低，反应放出的热量和剩余物尽可能加以循环利用，生成的副产物较少。

(4)制备过程绿色环保，没有使用或生成对环境有害的物质，若有，须对有害物质进行无害化处理。

1．下列关于工业制硫酸的说法不正确的是(　　)

A．硫燃烧生成SO3

B．SO3与水反应生成H2SO4

C．SO2被氧化为SO3需要使用催化剂

D．主要设备是沸腾炉、接触室、吸收塔

解析：选A　硫燃烧生成SO2，故A错误。

2．在硫酸的工业制法中，下列生产操作和主要原因均正确的是(　　)

A．硫铁矿燃烧前要粉碎，因为大块硫铁矿不能燃烧

B．从沸腾炉出来的气体需净化，因为炉气中的SO2会与杂质反应

C.SO2氧化成SO3，SO2能全部转化为SO3

D．SO3用98.3%的浓硫酸吸收，目的是防止形成酸雾，以便使SO3吸收完全

解析：选D　硫铁矿燃烧前要粉碎，目的是增大接触面积，使矿石燃烧更充分，A错误；从沸腾炉中出来的气体含有杂质，会造成催化剂中毒，使催化剂失去催化作用，B错误；SO2氧化成SO3的反应是可逆反应，SO2不能全部转化为SO3，C错误；D正确。

3.在硫酸工业生产中，SO3的吸收过程是在吸收塔(如右图)中进行的，吸收塔里还装入了大量瓷环。下列有关说法不正确的是(　　)

A．从①处通入SO3，整个吸收操作采取逆流的形式

B．从②处喷下98.3%的硫酸，瓷环的作用是增大接触面积

C．从③处导出的气体只含有少量SO2，可直接排入大气

D．从④处流出的是可用水或稀硫酸稀释的硫酸

解析：选C　从吸收塔上部导出的气体有N2、未参与反应的O2和少量SO2，直接排入大气会污染环境，所以应用吸收剂吸收或循环使用，故C错误。

4.在工业生产硫酸的过程中，为了有利于SO2的转化，且能够充分利用热能，采用了中间有热交换器的接触室，如图所示。按此密闭体系中气体的流向，在A处流出的气体为(　　)

A．SO2   B．SO3、O2

C．SO2、O2   D．SO3、SO2

解析：选C　干燥的SO2与O2发生化学反应的有利条件是催化剂和约450 ℃的温度。在通常状况下SO2与O2不发生反应，即使在加热的条件下也基本上不发生反应。从热交换器(或接触室)左侧进入的是SO2与O2的混合气体，在热交换器内只是被加热升高温度，没有与催化剂接触，基本上没有SO3生成。从热交换器内出来的热SO2与O2的混合气体，进入接触室内的催化剂区域后，发生可逆反应，生成SO3。

　　[问题探讨]

某实验小组试用下图所列各装置设计一个实验，来验证实验2的各种产物。

1．装置的连接顺序(按产物气流从左至右的方向)是怎样的？

提示：实验的目的是要将三种气态产物一一验证出来。由题中所给的各种装置可知：④是反应发生器；①中有品红溶液，可用来验证SO2；③中装有某种水溶液，显然可用来验证CO2；②是反应管，可验证水蒸气。由于①③中装的都是水溶液，气流经过后一定会带出水蒸气，所以必须先用②验证产物中的水蒸气，然后再验证SO2和CO2，不然就不能验证水蒸气一定是反应产物；由于SO2和CO2都能与石灰水反应，使澄清石灰水变浑浊，因此从②出来的气体必须先经过①验证和除去SO2后再进入③验证CO2，由此可以得出正确的连接顺序应当是④②①③。

2．实验时可观察到①中A瓶的溶液褪色，C瓶的溶液不褪色。A、B、C三瓶溶液的作用分别是什么？

提示：A瓶中品红溶液褪色，可证明产物中有SO2，C瓶溶液不褪色说明进入C瓶的气体中已没有SO2，从而推断出B瓶溶液的作用是氧化吸收从A瓶出来的气体中的SO2，因而C瓶溶液的作用是确认气流中SO2已被B瓶溶液全部吸收。

3．②中所加固体药品是什么？可验证的产物是什么？确定②在整套装置中位置的理由是什么？

提示：因为②是验证水蒸气的，所以其中固体药品必是可与水结合，而且有可观察到明显现象变化的物质，中学中熟悉的是白色无水硫酸铜遇水变蓝，或变色硅胶遇水由蓝色变为粉红色。确定②位置的理由如1中所述。

4．③中所盛溶液是什么？可验证哪一种产物？

提示：由于从①中C瓶出来的气流中已确认没有SO2，因此③中所盛溶液必定是澄清石灰水，用来验证气流中的CO2。

1．浓硫酸的性质

(1)物理性质

实验室常用的浓H2SO4质量分数为98.3%，为无色油状液体，密度大(1.84 g·cm－3)，沸点高，难挥发，易溶于水，溶于水时放出大量的热，所以稀释浓H2SO4时，应将浓H2SO4沿器壁慢慢注入水中并不断搅拌。

(2)浓硫酸的特性

2．浓硫酸强氧化性的几种体现

3．硫酸的用途

(1)浓硫酸在生产、生活和科学研究中有着广泛的应用。化肥、医药、农药的生产，金属矿石的处理，金属材料的表面清洗等都要用到硫酸。

(2)制备硫酸盐等。

(3)几种重要的硫酸盐

[名师点拨]

1．浓硫酸吸水性、脱水性的区别

(1)吸水性：浓硫酸能吸收物质中游离的水，如气体、液体中的水分子，以及固体中的结晶水等。可以是物理变化，也可以是化学变化，如浓硫酸吸收CuSO4·5H2O晶体中的结晶水。

(2)脱水性：物质中本来无水分子，浓硫酸可将有机物中的H、O原子按2∶1比例以“H2O”的形式脱去，如可以使蔗糖、纤维素、纸张等脱水炭化。

2．浓硫酸与金属的反应注意“量变”引起的“质变”

(1)浓硫酸参加的反应，随着反应的进行，因水的生成和硫酸的消耗会造成硫酸浓度的减小进而引起“质变”。如浓硫酸与Zn的反应。

(2)铁和浓硫酸在加热条件下可发生反应，但生成物决定于铁的量，铁不足生成Fe3＋，铁过量生成Fe2＋。

1．浓硫酸在下列物质的转化中，既表现出氧化性，又表现出酸性的是(　　)

A．Cu―→CuSO4   B．C―→CO2

C．蔗糖―→“黑面包”   D．Fe2O3―→Fe2(SO4)3

解析：选A　A项，Cu＋2H2SO4(浓)CuSO4＋SO2↑＋2H2O，H2SO4中S元素的化合价既有降低的，又有不变的，既表现氧化性又表现酸性；B项，C＋2H2SO4(浓)CO2↑＋2SO2↑＋2H2O，只表现氧化性；C项，蔗糖C12H22O11―→C体现脱水性；D项，Fe2O3＋3H2SO4===Fe2(SO4)3＋3H2O，只体现酸性。

2．下列关于鉴别1 mol·L－1的稀硫酸和98%的浓硫酸的叙述正确的是(　　)

A．常温下用pH试纸测定两溶液的pH，pH小的是浓硫酸

B．常温下可以用铜片鉴别两种溶液

C．铝片不能用于鉴别两种溶液

D．两溶液敞口在空气中放置一段时间后质量明显增大的是浓硫酸

解析：选D　1 mol·L－1稀硫酸的酸度不能用pH试纸测定，因为pH试纸通常测定pH为1到14的溶液，pH试纸也不能测定浓硫酸的pH，因为浓硫酸使试纸脱水炭化，故A项错误；常温下铜与稀硫酸和浓硫酸都不反应，不能鉴别两种溶液，故B项错误；铝片与稀硫酸反应能够产生气泡，与浓硫酸无明显现象，可以鉴别两种溶液，故C项错误；浓硫酸具有吸水性，两溶液敞口在空气中放置一段时间，质量明显增大的是浓硫酸，故D项正确。

3．某化学兴趣小组为探究浓硫酸和二氧化硫的性质，设计了如下图所示的装置进行实验(夹持装置已省略)：

请回答：

(1)用“可抽动铜丝”代替“直接投入铜片”的优点是________________________。

(2)说明SO2气体产生的实验现象是________________________。装置⑤的作用是______________________。

(3)为了验证SO2是酸性氧化物，③中可选择的试剂是________(填字母，下同)。

A．澄清石灰水　　　　　          B．饱和食盐水

C．碘水                        D．品红溶液

(4)下列说法正确的是________。

A．实验开始后，②和④中溶液均褪色，两者均可证明SO2具有漂白性

B．反应后，将①试管中的白色固体加入水中，溶液呈蓝色

C．先向装置中加入试剂(药品)，再进行气密性检查

D．⑤中的NaOH溶液可用Na2CO3溶液代替

(5)若将抽动的铜丝换成炭块进行反应，写出反应的化学方程式________________________；该反应体现浓硫酸的________(选填“脱水性”“吸水性”“强氧化性”“酸性”)。　

解析：(1)在加热的条件下，当Cu丝与浓硫酸接触时才能反应，当往上抽动Cu丝时，Cu丝与浓硫酸不接触，反应停止，所以用“可抽动铜丝”的优点是便于控制反应的发生和停止。

(2)二氧化硫能使品红溶液褪色；装置⑤中的溶液是碱液，能吸收酸性物质，其作用是吸收SO2气体，防止污染空气。

(3)A.澄清石灰水属于碱溶液，二氧化硫和氢氧化钙反应生成亚硫酸钙白色沉淀，所以能验证二氧化硫是酸性氧化物，故正确；B.饱和食盐水和二氧化硫不反应，不能验证，故错误；C.碘水和二氧化硫发生氧化还原反应生成HI和硫酸，该反应中体现二氧化硫的还原性，不能验证，故错误；D.二氧化硫能使品红溶液褪色而体现二氧化硫的漂白性，不能验证二氧化硫是酸性氧化物，故错误。

(4)A.实验开始后，二氧化硫使品红溶液褪色体现其漂白性，使酸性高锰酸钾溶液褪色体现其还原性，所以二者褪色原理不同，故错误；B.反应后，将①试管中的白色固体硫酸铜，加入水中，溶液呈蓝色，故正确；C.加入药品之前先检查装置气密性，否则得不到气体，故错误；D.碳酸钠溶液呈碱性，可吸收二氧化硫，反应生成亚硫酸钠，故正确。

(5)若将抽动的铜丝换成炭块进行反应，加热条件下，C和浓硫酸反应生成二氧化硫、二氧化碳和水，反应的化学方程式为C＋2H2SO4(浓)2SO2↑＋CO2↑＋2H2O；反应中，碳单质被浓硫酸氧化，该反应体现浓硫酸的强氧化性。

答案：(1)便于控制反应的发生和停止　(2)品红溶液褪色　吸收SO2气体，防止污染空气　(3)A　(4)BD　(5)C＋2H2SO4(浓)2SO2↑＋CO2↑＋2H2O　强氧化性

[分级训练·课课过关]________________________________________________________

1．下列有关浓硫酸的叙述正确的是(　　)

A．冷的浓硫酸使铁、铝钝化属于化学变化

B．浓硫酸与金属活动性顺序中在氢后面的金属反应生成的气体一般为SO2，与氢前面的金属反应生成的气体一般为H2

C.浓硫酸具有吸水性，可以干燥NH3、H2等气体

D．浓硫酸是难挥发性强酸，氢硫酸是挥发性弱酸，所以可用浓硫酸与FeS反应制取H2S气体

解析：选A　浓硫酸与金属反应的还原产物均是SO2，B项错误；浓硫酸可与NH3反应，故不能干燥NH3，C项错误；H2S有还原性，浓硫酸会氧化H2S气体，D项错误。

2．下列物质的俗称、化学式、主要用途都正确的是(　　)

A．石膏(2CaSO4·H2O)：用于制造各种模型

B．纯碱(NaHCO3)：用于制玻璃、肥皂、造纸、纺织

C．硫酸钡(BaSO4)：作白色颜料、钡餐

D．胆矾(CuSO4)：用于制造农药

解析：选C　A中(生)石膏化学式为CaSO4·2H2O，熟石膏为2CaSO4·H2O；B中纯碱为Na2CO3；D中胆矾为CuSO4·5H2O。

3．实验室有两瓶硫酸，分别是浓硫酸和稀硫酸，但由于同学的粗心将标签弄混了。请你帮助该同学选择既简单又可靠的区分方法 (　　)

A．与铜片反应

B．与石蕊溶液反应

C．用玻璃棒各蘸少许涂在纸上

D．加入锌片看是否有气体生成

解析：选C　Cu与稀硫酸不反应，与浓硫酸反应需要加热，故A不符合题意；与石蕊溶液反应，溶液都变红色，现象不明显，故B不符合题意；用玻璃棒各蘸少许涂在纸上，变黑的为浓硫酸，可鉴别，既简单又安全，故C符合题意；加入锌片都生成气体，分别为SO2、H2，故D不符合题意。

4．某课外活动小组的同学在实验室做锌与浓硫酸反应的实验中，甲同学认为产生的气体是二氧化硫，而乙同学认为除二氧化硫气体外，还可能产生氢气。为了验证哪位同学的判断正确，丙同学设计了图中的实验装置(锌与浓硫酸共热时产生的气体为X，且该反应装置略去)。

试回答下列问题：

(1)上述反应中生成二氧化硫的化学方程式为______________________________。

(2)乙同学认为还可能产生氢气的理由是______________________________。

(3)A中加入的试剂可能是____________，作用是____________；B中加入的试剂可能是______________，作用是____________；E中加入的试剂可能是____________，作用是______________________________。

(4)可以证明气体X中含有氢气的实验现象：C中______________________________，D中______________________________。

解析：(1)二氧化硫由锌和浓硫酸反应得到，锌和浓硫酸反应得二氧化硫、硫酸锌和水，反应的化学方程式为Zn＋2H2SO4(浓)ZnSO4＋SO2↑＋2H2O。

(2)在Zn与浓H2SO4反应过程中，H2SO4被消耗且有水生成，浓H2SO4浓度逐渐减小，变成稀硫酸，Zn与稀H2SO4反应生成H2。

(3)分析装置图可知，生成的气体中有二氧化硫和氢气，所以装置A是验证二氧化硫存在的装置，选品红溶液进行验证；通过高锰酸钾溶液除去二氧化硫，通过装置B中的浓硫酸除去水蒸气，利用氢气和氧化铜反应生成铜和水蒸气，所以利用装置D中的无水硫酸铜检验水的生成，为避免空气中的水蒸气影响D装置中水的检验，装置E中需加入碱石灰。

(5)证明生成的气体中含有水蒸气的现象是C装置中黑色氧化铜变为红色铜，D装置中白色硫酸铜变为蓝色。

答案：(1)Zn＋2H2SO4(浓)ZnSO4＋SO2↑＋2H2O　(2)当Zn与浓硫酸反应时，浓硫酸逐渐变稀，Zn与稀硫酸反应可产生H2　(3)品红溶液　检验SO2　浓硫酸　吸收水蒸气　碱石灰　防止空气中的水蒸气进入装置D中　(4)黑色粉末变成红色　白色粉末变成蓝色晶体