6.3.1 化工生产（第1课时 工业制硫酸）-2023-2024学年度高一化学同步精品讲义（沪科版必修第二册）

6.3  化工生产

6.3.1  工业制硫酸

知识点01  工业制硫酸的反应原理

1．二氧化硫的制取

如果以硫黄为原料，化学方程式为                               。

如果以硫铁矿（FeS2）为原料，化学方程式为                                 。

2．二氧化硫的转化，化学方程式为                               。

3．硫酸的生成，化学方程式为                               。

根据工业制硫酸的反应原理，生产过程通常可以分为      、      、      三个主要阶段。

【即学即练1】对于可逆反应2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g) （放热反应），下列说法中正确的是

 A．达到平衡时，反应物和生成物的浓度一定相等

 B．在工业上，该反应的条件是：高温、高压、催化剂

 C．加入催化剂，可以提高SO2的转化率

D．工业生产条件的选择，要综合考虑反应速率、化学平衡和实际情况

知识点02  工业制硫酸的原料选择

1．工业制硫酸的主要原料有      、        、冶炼烟气、硫化氢以及工业废气等。

2．以硫铁矿为原料制硫酸，生产中会产生“三废”（      、      、      ），存在治理成本大，能耗高，硫资源利用低等问题，      是生产硫酸的优质原料。

【即学即练2】工业制硫酸，不可能作为原料的是

    A．硫黄      B．硫铁矿      C．冶炼烟气      D．大理石

知识点03  工业制硫酸的生产过程

1．SO2的制取与净化

工业上，可以燃烧硫黄制得SO2，也可以从冶炼烟气中获得SO2，还可以使用硫铁矿在        中煅烧，得到SO2。SO2在进行转化之前，必须通过      、      等净化处理，要目的是防止             、

               。

2．SO2氧化成SO3

这一步反应是在        里进行的，反应条件是                             。写出下图A、B、C三处气体的主要成分：A            ，B            ，C            。

3．SO3的吸收和硫酸的生成

工业上一般用                 来吸收三氧化硫，若用水或稀硫酸吸收三氧化硫，容易形成      ，影响吸收效率。

【即学即练3】在硫酸的工业制法中，下列生产操作与说明生产操作的主要原因二者都正确的是

A．硫铁矿燃烧前要粉碎，因为大块的硫铁矿在沸腾炉中不能燃烧

   B．从沸腾炉出来的炉气需净化，因为炉气中SO2会与杂质反应

   C．SO2氧化为SO3时需使用催化剂，这样可以提高SO2的转化率

   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

常见考法一  工业制硫酸的反应原理

【例1】有关工业制硫酸的下列说法中，不正确的是

A．二氧化硫的催化氧化在转化器中发生

B．吸收塔用浓度为98.3%浓硫酸吸收三氧化硫

C．转化器中装有催化剂

D．以硫磺为原料制硫酸使用的设备之一是沸腾炉

必杀技 

硫酸工业的反应原理主要涉及三个步骤：

1．造气：4FeS2+11O22Fe2O3+8SO2或S+O2SO2

2．转化： 2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g)

3．吸收：SO3+H2O=H2SO4

【同步练习1】工业制硫酸的适宜条件不包括

A．矿石粉碎成粉末可加快反应速率

B．原料气进入转化器之前需净化处理

C．SO2转化为SO3时用铁触媒作催化剂

D．用98.3%的浓硫酸吸收SO3

常见考法二  硫酸工业的生产过程

【例2】硫酸工业在国民经济中占有重要地位．工业制硫酸主要的生产流程如图：

（1）工业制硫酸通常以　    　为原料，经造气、　    　、吸收三个主要生产阶段；

（2）在吸收塔中通常用            吸收SO3，原因是　                     　；

（3）除去原料气中的有毒物质是为了防止　          　；

（4）②使用催化剂是为了提高　           　．

必杀技 

1．沸腾炉中把硫铁矿粉碎，目的是增大固体的表面积，与空气充分接触，燃烧迅速且充分。

2．原料气要通过除尘、干燥等净化处理，目的是防止催化剂中毒，减少对设备的腐蚀。

3．转化器（又叫接触室）中有热交换器，使用的催化剂是五氧化二矾（V2O5）。

4．在转化器中，理论上需高压（既能加快反应速率，又能使化学平衡正向移动），但实际工业生产上使用的是常压，因为在常压下，该反应的转化率已经很高了，若使用高压，会增加生产成本，所以没有必要使用高压。

5．吸收塔中用98.3%的浓硫酸吸收三氧化硫，如果用水或稀硫酸吸收，易形成酸雾。

【同步练习2】硫酸工业中，转化器发生催化氧化（2SO2＋O2SO3）的装置如图，下列说法正确的是

A．a处进入的气体中SO2过量       B．沸腾炉中产生的气体直接从a处进入

C．a、b、c三处气体成分相同       D．d处出来的气体只含SO3

常见考法三  化学反应速率和化学平衡在化工生产中的应用

【例3】工业上以硫铁矿为原料制硫酸的生产过程中，下列措施能提高硫酸产率的是

A．直接把矿石送入沸腾炉

B．沸腾炉中通入过量空气

C．对炉气进行除尘、洗涤、干燥处理

D．转化器内用催化剂

必杀技  化学工业生产条件的选择，一般从下面几个方面考虑：

1．快：选择合适的外界条件，加快化学反应速率。

2．多：选择合适的外界条件，使化学平衡向正反应方向移动。

3．合理：结合工业生产的实际，优化生产条件。如：理论上硫酸工业中SO2转化为SO3需要高压，但实际工业生产上使用的是常压，因为常压下该反应的转化率已经很高了，没有必要使用高压。

【同步练习3】合成氨工业中的主要反应是N2(g)+3H2(g)2NH3(g)（放热反应），从化学反应速率和化学平衡的角度回答下列问题：

（1）生产中，采用高压，是为了                 ，且使平衡向正反应方向移动。

（2）使用催化剂是为了                    。

（3）原料气（N2和H2）在进入合成之前需要净化，目的是                     

（4）生产过程中，及时把生成的NH3分离出去，其目的是                       。

题组A  基础过关练

1．填写工业制硫酸的相关内容：

2．工业制硫酸，一定不需要的设备是

A．沸腾炉          B．反应器      C．吸收塔          D．合成塔

3．工业制硫酸时，吸收SO3的物质是

A．水        B．98.3%的浓硫酸         C．氨水         D．石灰水

4．在硫酸工业生产中，为了有利于SO2的转化，且能充分利用热能，采用了中间有热交换器的转化器（如图），按此密闭体系中气体的流向，则在A处流出的气体主要含有(　　)

A．SO2、O2   B．SO3、O2

C．仅SO2   D．SO2、SO3

5．在硫酸工业生产中，SO3的吸收过程是在吸收塔(如图)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处通入的气体中含大量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

6．工业上制硫酸的沸腾炉出来的炉气必须经过净化处理，其正确过程是

A．除尘、干燥        B．干燥、除尘

    C．洗涤、除尘        D．过滤、洗涤

7．在生产硫酸的过程中，常用浓硫酸而不用水吸收SO3是因为

A．SO3易溶于浓H2SO4而不易溶于水

B．用浓硫酸吸收速率虽慢但损失SO3少

C．用水吸收时，易形成酸雾而阻碍SO3再吸收

D．用水吸收时得不到纯净的硫酸

8．工业制硫酸用硫黄作为原料产生的污染较用硫铁矿小，主要方面是

A．废气        B．废渣        C．废水        D．酸雨

9．在硫酸的工业制法中，下列生产操作与说明生产操作的主要原因二者都正确的是

A．硫铁矿煅烧前要粉碎，因为大块硫铁矿不能燃烧

B．从沸腾炉出来的气体只有SO2

C．SO2氧化成SO3，SO2能全部转化为SO3

D．SO3用98.3%的浓H2SO4吸收，目的是防止形成酸雾，以便使SO3吸收更充分

10．回答下列有关工业制硫酸的问题：

（1）硫铁矿在煅烧时为什么要粉碎？

（2）从沸腾炉中出来的气体为什么要进行净化处理？

（3）进入反应器的原料气中为什么空气一般是过量的？

     （4）在反应器中，理论上要高压，实际工业生产上为什么常压？

（5）从吸收塔中放出的尾气中为什么仍然含有二氧化硫？

（6）为什么用98.3%的浓硫酸吸收而不用水或稀硫酸吸收SO3？

    （7）吸收SO3时，浓硫酸为什么要从上向下喷下来？

题组B  能力提升练

11．符合实际并用于工业生产的是

A．NaOH与盐酸中和反应制NaCl 

B．H2和Cl2光照制HCl

C．Cl2通入澄清石灰水中制漂白粉       

D．用硫黄制硫酸

12．工业上生产硫酸时，如果将反应器内的混合气体突然冷却到，室温由白色晶体析出，此晶体是

A．二氧化硫        B．三氧化硫      C．硫酸            D．硫黄

13．“漂尘”是物质燃烧时产生的粒状漂浮物，颗粒很小（直径小于10-7m），不易沉降（可漂浮数小时甚至数年），它与空气中的SO2接触，SO2会部分被氧化成SO3，“漂尘”所起的主要作用是

A．催化剂     B．还原剂     C．吸附剂     D．氧化剂

14．已知工业上真空炼铷（Rb）的化学方程式为2RbCl+MgMgCl2+2Rb(g)，对这一反应能进行的最合理的解释是

A．上述反应为可逆反应

B．镁的金属活动性比铷的强

C．氯化镁的热稳定性比氯化铷的强

D．铷的沸点比镁的低，当把铷抽走时反应向生成铷的方向进行

15．硫酸最古老的生产方法是：把绿矾（FeSO4﹒7H2O）装入反应器中加强热，会流出油状液体，并放出有刺激性气味的气体（SO2），反应器中的固体变为红色（Fe2O3）。写出这个变化的化学方程式                                          、SO3+H2O=H2SO4。

16．工业上制硫酸的设备分为三大部分：沸腾炉、接触室、吸收塔。下面的装置是仿照工业上制备硫酸工艺的流程设计出来的，用于探究工业上为何采用98.3%的浓硫酸吸收三氧化硫。

请回答下列问题：

（1）写出沸腾炉内煅烧硫铁矿的反应方程式：______________________________________。

（2）图中的乙、丙分别相当于工业上制取硫酸装置中的___________________、__________________。

（3）从乙装置中出来的气体有______________________。

（4）丙装置的作用为______________________，丁中的现象为________________。

（5）本实验设计还存在的较明显缺陷是_____________________________________________。

17．已知氢氧化钙和碳酸钙在水中存在下列溶解平衡：Ca(OH)2(s)Ca2＋(aq)＋2OH－(aq)，CaCO3(s) CO32－(aq)＋Ca2＋(aq)。在火力发电厂燃烧煤的废气中往往含有SO2、O2、N2、CO2等。为了除去有害气体SO2并变废为宝，常常用粉末状的碳酸钙或熟石灰的悬浊液洗涤废气。

（1）写出上述两个反应的化学方程式：

①SO2与CaCO3悬浊液反应______________________________________；

②SO2与Ca(OH)2悬浊液反应______________________________________。

（2）试说明用熟石灰的悬浊液而不用澄清石灰水的理由___________________________。

（3）在英国进行的一项研究结果表明：高烟囱可以有效地降低地表面的SO2浓度。在上世纪的60～70年代的十年间，由发电厂排放的SO2增加了45%，但由于建造高烟囱的结果，地表面SO2浓度却降低了30%之多。请你从全球环境保护的角度，分析这种方法是否可取并简述理由：                             。

题组C  培优拔尖练

18．现有1 L含SO3为30%的发烟硫酸(密度为1.95 g/cm3)，要把它稀释成质量分数为95%的浓硫酸，需加水约为

   A．120 mL      B．180 mL      C．240 mL      D．300 mL

19．把1 g含脉石(SiO2)的硫铁矿样品在氧气流中灼烧，反应完全后得0.78 g残渣，则此黄铁矿的纯度是(　　)

A．33%    B．66%    C．78%    D．88%

20．（1）硫酸工业中，V2O5作催化剂时发生反应2SO2+ O2  2SO3，SO2的转化率与温度、压强有关，请根据下表信息，结合工业生产实际，选择下表中最合适的温度和压强分别是__________。该反应420℃时的平衡常数_____520℃时的平衡常数（填“>”、“<”或“=”）。

（2）在2L密闭容器中模拟接触法制备三氧化硫时，若第12分钟恰好达到平衡，测得生成SO3的物质的量为1.2mol，计算前12分钟用氧气表示反应速率v(O2)为___________。

（3）副产品Y是　        　。沉淀池中发生的主要反应方程式是___________________。

（4）从绿色化学和资源综合利用的角度说明上述流程的主要优点是________________。　

21．某同学设计如图所示装置探究工业制硫酸转化器中的反应，并测定此条件下二氧化硫的转化率。实验时，装置D锥形瓶中溶液产生白色沉淀，装置E中溶液褪色。

—

回答下列问题：

（1）装置B的三个作用是①                     ；②                     ；

③通过观察气泡的速率，控制氧气和二氧化硫的通入比例。

（2）实验过程中，当V2O5表面红热后，应将酒精灯移开一会儿后再继续加热，

其原因是  　　　　　　　　　　　　                      。

（3）D中锥形瓶盛放的溶液可以是（选填序号）  　　　。

       ①足量澄清石灰水        ②足量小苏打溶液

       ③足量氯化钡溶液        ④足量稀硫酸

反应停止后，要通过测定装置D锥形瓶中产生的白色沉淀的量，得出已被氧化的二氧化硫的量，在滤出沉淀前必须进行的一步实验操作是（简述过程） 　　　　　　　　　　　　　　　　　　        。

（4）若从锥形瓶溶液中得到的沉淀质量为m g，要测定该条件下二氧化硫的转化率，实验时还需要测定的数据是(选填序号)  　　　 ，二氧化硫的转化率是   　　　(用含有m、a、b  c、d中的一种或几种字母的代数式表示)。

       ①装置F增加的质量a g      

②装置A中亚硫酸钠减少的质量bg

       ③装置B增加的质量cg       

④装置E增加的质量d g

22．用下图装置可以进行测定SO2转化成SO3的转化率的实验。已知SO3的熔点是16.8℃，沸点是44.8℃。

已知发生装置中所涉及反应的化学方程式为：Na2SO3(s) + H2SO4(85%)→ Na2SO4 + H2O + SO2↑

（1）根据实验需要，应该在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ处连接合适的装置。请从下图A～E装置中选择最适合装置并将其序号填入下面的空格中。

Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ处连接的装置分别是____________、_____________、_____________。

（2）从乙处均匀通入O2，为使SO2有较高的转化率，实验中在：① 加热催化剂；② 滴加浓硫酸的顺序中，应采取的操作是先__________后____________(填编号)。在制取SO3的过程中，若温度过高，SO2的转化率会       (填“升高”、“不变”或“降低”）。

（3）有一小组在实验中发现，SO2气体产生缓慢，以致后续实验现象不明显，但又不存在气密性问题，请你根据以下推测的原因说明相应的验证方法。

① Na2SO3已变质。验证方法                                                        。 

② 甲中用稀H2SO4代替浓H2SO4。验证方法                                           。

（4）用a mol Na2SO3粉末与足量浓硫酸进行此实验，当反应结束时，继续通入O2一段时间后，测得装置Ⅲ增重了b g，则实验中SO2的转化率为           ％（用含a、b的代数式填写）。