資源簡介

第6章 化學反應速率和化學平衡
6.3化工生產
工業制備硫酸
1．制備過程
（1）三原料
工業上制硫酸所需的原料有硫(S)、空氣、水。用硫黃作原料成本低、對環境污染少。我國硫黃資源較少，在早期相當一段時間內，主要用黃鐵礦(FeS2)作原料。
（2）三反應
①制備SO2
S(s)＋O2(g)=SO2(g) (4FeS2＋11O22Fe2O3＋8SO2)，（屬放熱反應）
②利用催化氧化反應將SO2氧化成SO3
2SO2(g)＋O2(g) (
催化劑
△
)2SO3(g)，（屬放熱反應）。
③三氧化硫轉化成硫酸
SO3(g)＋H2O(l)=H2SO4(l)，（屬放熱反應）
（3）三個設備(以FeS2為原料)：沸騰爐(造氣)、接觸室(催化氧化室)、吸收塔。
（4）三原理
①化學平衡原理：增大反應物濃度、增大反應物間接觸面積，能提高反應速率并使化學平衡向正反應方向移動，以充分提高原料利用率。
②熱交換原理：在接觸室中生成的熱量經過熱交換器，傳遞給進入接觸室需要預熱的混合氣體，為二氧化硫的接觸氧化和三氧化硫的吸收創造了有利條件。
③逆流原理：液體由上向下流，氣體由下向上升，兩者在逆流過程中充分反應。
2．生產中原料的選擇
（1）從基建投資、加工費用及環保方面考慮，用硫黃制硫酸優于用黃鐵礦制硫酸。
（2）我國天然硫資源缺乏，而且開采條件比較復雜。
（3）我國黃鐵礦儲量比天然硫黃要大。
（4）硫黃制硫酸比黃鐵礦制硫酸生產流程短，設備簡單，三廢治理量小，勞動生產率高，易于設備大型化。
（5）由于原料多需進口，硫黃制硫酸成本比黃鐵礦制硫酸高。
3．生產中反應條件的控制
（1）從反應原理分析條件選擇
①主要反應原理：2SO2＋O2 (
催化劑
△
)2SO3，放熱反應；
②反應速率要求：高溫、高壓、使用催化劑；
③化學平衡要求：低溫、高壓。
（2）從工業生產實際考慮條件選擇
①溫度應綜合考慮反應速率和實際轉化率兩個方面；同時還要考慮催化劑的最佳活性。
②壓強除從反應原理考慮外，還要考慮產率、設備條件等。
（3）工業制硫酸的適宜條件
①溫度：400～500 ℃（兼顧反應速率和轉化率，同時又能使催化劑達到最佳活性）
②壓強：常壓（常壓下SO2轉化率已較高，增壓對轉化率提高有限，加壓增大投資和能量消耗）
③使用催化劑（盡量加大反應速率）
④適當過量的空氣，目的是提高SO2的轉化率。
【要點詮釋】接觸法制硫酸應注意：
①送進沸騰爐的原料要粉碎成細小的礦粒。
②通入接觸室的混合氣體必須預先凈化，防止催化劑中毒及水蒸氣對生產和設備造成不良影響。
③吸收塔中用質量分數為98%的濃硫酸吸收SO3，而不用水或稀硫酸，防止形成酸霧，使吸收速率減慢。
4．生產中的三廢處理
（1）尾氣吸收
H2SO4工業的尾氣主要是SO2，采用酸氨法吸收，。
SO2＋2NH3＋H2O ===(NH4)2SO3
SO2＋(NH4)2SO3＋H2O ===2NH4HSO3
2NH4HSO3＋H2SO4===(NH4)2SO4＋2SO2↑＋2H2O
（2）污水處理
不同化工生產過程產生的污水，所含雜質不同，要根據雜質的性質不同，采用不同的物理化學方法，如酸堿中和法（廢水用石灰乳中和：Ca(OH)2＋H2SO4===CaSO4＋2H2O），重金屬離子沉淀法等。
（3）廢渣的利用
用黃鐵礦為原料生產硫酸的過程中，會排出一些爐渣和礦灰，可作為煉鐵的原料；還可用來提煉貴重的有色金屬；另外，這些廢渣還可作為制造水泥的原料或用于制磚。
5．能量的充分利用
（1）生產1 t硫酸需消耗100 kW·h的電能，硫酸生產過程中的三個化學反應都是放熱反應， 生產1 t硫酸放出的反應熱相當于200 kW·h的電能。這些廢熱的利用，可以向外界輸出大量能量，大大降低生產成本。
（2）可以利用SO2氧化成SO3時放出的熱量來預熱即將參加反應的SO2和O2等。
6．化工生產過程中應考慮的問題
（1）確定化學反應原理
（2）選擇原料
（3）選擇設備和工藝流程
（4）三廢處理(環境保護)
（5）能源的利用(綜合經濟利益)
（6）其它問題(如廠址，成本，反應條件等問題）
【典型例題】
類型一：工業制備硫酸
例1．下列說法正確的是……………………………………………………………………（ ）
A．合成硫酸的工業尾氣可以直接排入大氣中
B．進入接觸室的氣體，必須先經凈化、干燥
C．以黃鐵礦為原料生產硫酸，從沸騰爐中排出的爐渣可以作為肥料
D．在高溫、高壓下由SO2和O2合成SO3
例2．在接觸法制硫酸的工業生產中，下列生產操作與說明這些操作的主要原因都正確的（ ）
①黃鐵礦煅燒前需要粉碎，因為大塊黃鐵礦不能燃燒
②從沸騰爐出來的爐氣需要凈化，這樣可以提高產品的純度
③在接觸室內使用熱交換器，這樣可以節約能源，降低成本
④用質量分數為98.3%的硫酸吸收SO3，目的是防止形成酸霧，以便使SO3吸收完全
A．①②　　　　　　　　 B．③④
C．①③ D．②④
例3．工業上生產硫酸時，利用催化氧化反應將SO2轉化為SO3是一個關鍵步驟。壓強及溫度對SO2轉化率的影響如下表(原料氣各成分的體積分數：SO2 7%，O2 11%，N2 82%)：
0.1 MPa 0.5 MPa 1 MPa 10 MPa
400℃ 99.2% 99.6% 99.7% 99.9%
500℃ 93.5% 96.9% 97.8% 99.3%
600℃ 73.7% 85.8% 89.5% 96.4%
（1）已知SO2的氧化是放熱反應，如何利用表中數據推斷此結論？_________________；
（2）在400～500 ℃時，SO2的催化氧化采用常壓而不是高壓，主要原因是__________________________________________________________________；
（3）選擇適宜的催化劑，是否可以提高SO2的轉化率？__________________(填“是”或“否”)，是否可以增大該反應所放出的熱量？______________________(填“是”或“否”)；
（4）為提高SO3吸收率，實際生產中用____________________吸收SO3；
【練習題】
1．（雙選）與以黃鐵礦為原料的生產工藝相比，以硫黃為原料的生產工藝的特點是……（ ）
A．SO2的轉化率提高 B．產生的廢渣減少
C．耗氧量減少 D．不需要使用催化劑
2．下列關于硫酸工業生產過程的敘述錯誤的………………………………………………（ ）
A．在接觸室中使用鐵粉作催化劑
B．在接觸室中運用熱交換技術可充分利用能源
C．把硫鐵礦磨成細粉末，可以提高原料的利用率
D．該反應采用450～500 ℃主要是因為該溫度下催化劑活性好
下列物質的制備，符合工業生產實際的是………………………………………………（ ）
A．將氯氣通入澄清石灰水中制漂白粉
B．用電解飽和食鹽水制備燒堿、氫氣和氯氣
C．將氫氣和氯氣混合后點燃，產物用水吸收制備鹽酸
D．將SO2和O2的混合氣加高壓后，通過接觸室，制備SO3
4．在工業生產硫酸中，在吸收塔內用來吸收三氧化硫的是………………………………（ ）
A．H2O　　　　　　　　　 B．稀硫酸
C．濃硫酸 D．氨水
5．下列對硫酸生產中化學反應原理的分析正確的是………………………………………（ ）
A．硫酸生產中涉及的三個化學反應因原料的不同可能全部是氧化還原反應
B．硫酸生產中涉及的三個化學反應都是放熱反應
C．硫酸生產中涉及的三個化學反應都需要使用催化劑
D．硫酸生產中涉及的三個化學反應都需要在較高溫度下進行
6．下列說法中正確的…………………………………………………………………………（ ）
A．在設計化工生產的化學反應條件時，只要將化學反應的特點和化學反應理論相結合進行全面分析就沒問題了
B．在設計化工生產的化學反應條件時，若化學反應的速率很高，就不需要考慮催化劑的問題
C．在現代，工業上將二氧化硫氧化為三氧化硫的適宜條件是高溫、高壓和催化劑
D．在2SO2＋O2 (
V
2
O
5
450
℃
)2SO3中，對“450 ℃”的選擇，來自對反應物性質和催化劑性質的綜合考慮
7．10g SO3溶解于90g H2O中，所得溶液中溶質的質量分數為…………………………（ ）
A．10％ B．12.25％ C．14.0％ D．78.4％
8．在氧氣中灼燒0.40 g硫和鐵的化合物，使其中的硫全部轉化為二氧化硫，把這些二氧化硫全部氧化并轉化為硫酸。這些硫酸與20 mL 0.5 mol·L－1的氫氧化鈉溶液完全中和。原化合物中硫的質量分數為……………………………………………………………………………（ ）
A．30% B．36.4% C．40% D．53.3%
9．在可逆反應2SO2 (氣) + O2 (氣) (
V
2
O
5
450
℃
)2SO3 （放熱反應）中，要使SO2的轉化率和反應速率都增大，所采取的措施是…………………………………………………………（ ）
A．升高溫度 B．降低壓強
C．增大壓強 D．通入足量的純氧
10．對于可逆反應 2SO2 + O2 (
V
2
O
5
450
℃
)3SO3，下列說法中正確的是………………（ ）
A．達到平衡時，反應物和生成物的濃度一定相等
B．達到平衡時，反應物和生成物的濃度保持一定
C．加入催化劑V2O5，可以縮短達到平衡的時間
D．反應達到平衡后，該平衡不隨外界條件變化而改變
11．在接觸法制硫酸工業中，接觸室中裝有熱交換器。采用熱交換器的好處是…………（ ）
①充分利用熱量，降低能耗　 ②促使平衡向正反應方向移動，提高產率　
③減少熱量對環境的污染　 ④提高最終產品的純度
A．僅①　　　　　　　 B．僅①②
C．僅①②③ D．①②③④
12．在接觸法制硫酸的工業生產中，下列生產操作及其原因解釋二者都正確的是………（ ）
A．黃鐵礦燃燒前需要粉碎，因為塊狀黃鐵礦不能燃燒
B．SO2氧化為SO3時需要高壓，這樣可以提高SO2的轉化率
C．SO2氧化為SO3無需進行加熱，因為此反應為放熱反應
D．用98.3%的濃H2SO4吸收SO3，可以防止形成酸霧阻礙SO3的吸收
13．接觸法生產硫酸的過程中，對廢氣、廢水、廢渣、廢熱的處理正確的是…………（ ）
①尾氣用氨水處理　 ②污水用石灰乳處理　
③廢渣用來造水泥、煉鐵　④設置廢熱鍋爐產生蒸汽、供熱或發電
A．①②　　　　　　　 B．①③④
C．①②③ D．①②③④
14．2SO2(g)＋O2(g) (
V
2
O
5
△
)2SO3(g)是制備硫酸的重要反應。下列敘述正確的……（ ）
A．催化劑V2O5不改變該反應的逆反應速率
B．增大反應體系的壓強，反應速率一定增大
C．該反應是放熱反應，降低溫度將縮短反應達到平衡的時間
D．在t1、t2時刻，SO3(g)的濃度分別是c1、c2，則時間間隔t1～t2內，SO3(g)生成的平均速率為v＝
15．欲除去CO2氣體中含有的SO2氣體，應選用的試劑是………………………………（ ）
A．品紅溶液 B．飽和NaHCO3溶液
C．Na2CO3溶液 D．燒堿溶液
16．有關二氧化硫的敘述正確的是…………………………………………………………(　　 )
A．二氧化硫不能使溴水、高錳酸鉀溶液迅速褪色
B．接觸法制硫酸的沸騰爐排出的爐氣中含SO2
C．實驗室可用啟普發生器制取二氧化硫
D．用石灰水很容易區分二氧化碳和二氧化硫
17．對于反應2SO2＋O2 (
V
2
O
5
△
)2SO3，下列判斷正確的是…………………………（ ）
A．2體積SO2和足量O2反應，必定生成2體積SO3
B．其他條件不變，增大壓強，平衡必定向左移動
C．平衡時，SO2的消耗速率必定等于O2生成速率的兩倍
D．平衡時，SO2濃度必定等于O2濃度的兩倍
18．構建和諧社會的內容之一是人類與環境的和諧發展，而“綠色化學”的內容是指從技術經濟上設計可行的化學反應，盡可能減少對環境的副作用，下列化學反應不符合“綠色化學”概念的是……………………………………………………………………………………( )
A．消除硫酸廠尾氣中的SO2：SO2＋2NH3＋H2O===(NH4)2SO3
B．消除硝酸工業尾氣的氮氧化物的污染：NO＋NO2＋2NaOH===2NaNO2＋H2O
C．制CuSO4：Cu＋2H2SO4(濃) CuSO4＋SO2↑＋2H2O
D．制CuSO4：2Cu＋O2＋2H2SO42CuSO4＋2H2O
19．在硫酸工業中，通過下列反應使SO2轉化為SO3：2SO2＋O2 (
V
2
O
5
△
)2SO3(放熱反應)。已知常壓下平衡混合氣體中SO3的體積分數為91%。試回答：
（1）在生產中常用過量的空氣是為了_________________________________________
________________________________________________________________________。
（2）加熱到400～500 ℃是由于_______________________________________________
________________________________________________________________________。
（3）壓強采用________，原因是_____________________________________________
________________________________________________________________________。
（4）常用濃H2SO4來吸收SO3，而不用水，因為_________________________________
________________________________________________________________________。
20．如圖所示裝置是仿照工業上制備硫酸的工藝流程設計出來的，用于探究工業上為何用98.3%的濃硫酸吸收三氧化硫。
請回答下列問題：
（1）寫出沸騰爐內煅燒黃鐵礦的化學反應方程式：_____________________________
________________________________________________________________________；
（2）甲和乙相當于工業上制取硫酸裝置中的________；
（3）寫出在催化劑表面所發生的化學反應方程式：______________________________
________________________，在實驗過程中不能持續加熱的理由是______________；
（4）在乙反應器內要求氧氣的量要比二氧化硫的量多一倍左右，你是如何控制和估計的？________________________________________________________________________。
（5）若丁裝置在反應過程中先出現氣泡，不久就出現了霧，而丙裝置一直都沒有任何現象，產生這種現象的原因可能是……………………………………………………………（ ）
A．濃硫酸對三氧化硫的吸收效率遠大于水，三氧化硫被濃硫酸充分吸收
B．三氧化硫的通氣速率太快，三氧化硫未被水和濃硫酸充分吸收
C．丙中的導氣管插得太深，導致兩個吸收瓶內的氣壓差較大
21．硫酸工業在國民經濟中占有極其重要的地位。
（1）硫酸的最大消費渠道是化肥工業，用硫酸制造的常見化肥有________________(任寫一種)。
（2）硫酸生產中，根據化學平衡原理來確定的條件或措施有____________(填寫序號)。
A．礦石加入沸騰焙燒爐之前先粉碎 B．使用V2O5作催化劑
C．催化反應室中使用適宜的溫度 D．凈化后的爐氣中要有過量的空氣
E．催化氧化在常壓下進行 F．吸收塔中用98.3%的濃硫酸吸收SO3
（3）在硫酸工業中，通過下列反應使二氧化硫轉化為三氧化硫：
2SO2(g)＋O2(g) (
V
2
O
5
△
)2SO3(g)(放熱反應)
在實際工業生產中，常采用“二轉二吸法”，即將第一次轉化生成的SO3分離后，將未轉化的SO2進行二次轉化，假若兩次SO2的轉化率均為95%，則最終SO2的轉化率為________。
（4）硫酸的工業制法過程涉及三個主要的化學反應及相應的設備(沸騰爐、接觸室、吸收塔)。
①三個設備分別使反應物之間或冷熱氣體間進行了“對流”。請簡單描述吸收塔中反應物之間是怎樣對流的。
________________________________________________________________________。
②工業生產中常用氨—酸法進行尾氣脫硫，以達到消除污染、廢物利用的目的。用化學方程式表示其反應原理(只寫出2個化學方程式即可)。
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
參考答案
【典型例題】
例1．B 例2．B
例3．（1）壓強一定時，溫度升高，SO2轉化率下降，說明升溫有利于逆反應進行，所以正反應為放熱反應
（2）增大壓強對提高SO2轉化率無顯著影響，反而會增加成本
（3）否，否
（4）濃硫酸
【練習題】
1．BC2．A3．B4．C5．B6．D7．B8．C9．D 10．C
11．C12．D13．D14．D15．B16．B17．C18．C
19． (1)增大氧氣的濃度，提高成本較高的SO2的轉化率
(2)在此溫度下，催化劑活性最好，反應速率快，可縮短達到平衡的時間，提高單位時間內SO3的產率
(3)常壓　因常壓下平衡混合氣體中SO3的體積分數已達很高，若再加壓，對設備動力系統要求高，成本高，加壓已無實際意義
(4)用水吸收易形成酸霧，降低吸收速率，同時腐蝕設備
20． (1)4FeS2＋11O22Fe2O3＋8SO2　(2)接觸室
(3)2SO2＋O2 (
催化劑
△
)2SO3　防止溫度過高，而降低SO2的轉化率及催化劑活性(4)可以通過調節氣閥，控制氣體流量，觀察甲裝置的冒泡速率進行估算　(5)AC
21． (1)(NH4)2SO4(或K2SO4)　(2)D　(3)99.75%
(4)①SO3從吸收塔底部進入，吸收劑(濃硫酸)從頂部下淋，形成對流
②SO2＋NH3·H2O===NH4HSO3　2NH4HSO3＋H2SO4===(NH4)2SO4＋2H2O＋2SO2↑
[或SO2＋2NH3·H2O===(NH4)2SO3＋H2O
(NH4)2SO3＋H2SO4===(NH4)2SO4＋H2O＋SO2↑]

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