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第二課時　硫酸的工業制備　濃硫酸的性質
課程標準要求　1.知道接觸法制硫酸的化學原理。2.記住濃H2SO4吸水性、脫水性的區別及應用。3.能理解濃H2SO4具有強氧化性的原因。4.認識化學工業與人類生活、社會發展的關系，能辨證地分析化學品的影響。
一、硫酸的工業制備
1.工業上接觸法制硫酸的主要設備及生產流程
各進口或出口物質的名稱：
A.含硫礦石(如FeS2)；B.爐渣；C.SO2、氧氣、氮氣；D.尾氣SO2、O2、N2。
2.接觸法制硫酸“三個階段”
步驟 原料 設備 反應原理
造氣 S或 FeS2 沸騰爐 S＋O2SO2或4FeS2＋11O28SO2＋2Fe2O3
接觸氧化 O2 接觸室 2SO2＋O22SO3
SO3吸收 98.3%濃硫酸 吸收塔 SO3＋H2O===H2SO4
【微自測】
1.判斷正誤，正確的打“√”，錯誤的打“×”。
(1)在接觸法制硫酸中，礦石粉碎的目的是為了增大反應物的接觸面積，使反應更充分。(√)
(2)在吸收塔內，是用濃硫酸吸收SO3而不是用水，目的是為了防止形成酸霧，腐蝕設備。(√)
(3)SO2氧化為SO3時需要使用催化劑，可以使SO2全部轉化為SO3。(×)
(4)從沸騰爐出來的SO2氣體直接進入接觸室，無需除雜。(×)
二、硫酸的性質和用途
1.稀H2SO4的化學性質
具有酸的通性(應用離子方程式)
(1)使紫色石蕊試液變紅。
(2)與活潑金屬反應(如Zn)：Zn＋2H＋===Zn2＋＋H2↑。
(3)與堿性氧化物反應(如CuO)：CuO＋2H＋===Cu2＋＋H2O。
(4)與堿反應(如NaOH)：OH－＋H＋===H2O。
(5)與某些鹽反應(如BaCl2)：Ba2＋＋SO===BaSO4↓。
2.濃硫酸的物理性質
實驗室常用的濃H2SO4質量分數為98.3%，為無色油狀液體，密度大(1.84 g· cm－3)，沸點高，難揮發，易溶于水，溶于水時放出大量的熱，所以稀釋濃H2SO4時，應將濃H2SO4沿器壁慢慢注入水中并不斷攪拌。
3.濃硫酸的特性
(1)吸水性
濃硫酸可吸收空氣或其他氣體中的水蒸氣、混在固體中的濕存水、結晶水合物中的結晶水。常用作干燥劑，如常用盛有濃硫酸的洗氣瓶干燥某些氣體(如H2、Cl2、SO2等)。
(2)脫水性
濃硫酸能按水的組成比，奪取某些有機物中的氫、氧元素形成水分子。蔗糖和濃硫酸的實驗說明濃硫酸具有脫水性。
(3)強氧化性
①與金屬銅的反應
反應的化學方程式為：Cu＋2H2SO4(濃)CuSO4＋SO2↑＋2H2O。在該反應中，氧化劑為H2SO4，還原劑為Cu，氧化劑與還原劑的物質的量之比為1∶1。濃硫酸在反應中既體現出強氧化性又體現出酸性。
②與非金屬的反應
濃硫酸不僅能與金屬反應，還能與部分非金屬單質如碳等反應，方程式為：
C＋2H2SO4(濃)CO2↑＋2SO2↑＋2H2O，濃硫酸在反應中只體現出強氧化性。
③在常溫下，鐵、鋁等金屬在濃硫酸中可發生鈍化，即金屬的表面上會生成一層致密的氧化物薄膜，從而阻止酸與內層金屬的進一步反應。
4.硫酸的用途
(1)濃硫酸在生產、生活和科學研究中有著廣泛的應用。化肥、醫藥、農藥的生產，金屬礦石的處理，金屬材料的表面清洗等都要用到硫酸。
(2)制備硫酸鹽等。
【微自測】
2.判斷正誤，正確的打“√”，錯誤的打“×”。
(1)常溫下，濃硫酸能使某些活潑金屬“鈍化”，鈍化是物理變化。(×)
(2)硫酸銅晶體滴加濃硫酸后變白色，說明濃硫酸有脫水性。(×)
(3)濃硫酸具有吸水性，所以濃硫酸可以干燥H2、CO、NH3、H2S、HI、HBr等氣體。(×)
(4)將濃硫酸滴到濕的蔗糖表面，固體變黑膨脹并有刺激性氣味氣體生成，說明濃硫酸有脫水性、吸水性和強氧化性。(√)
一、硫酸的工業制備
1.接觸法制硫酸生產流程及主要設備
在吸收塔中，用98.3%的濃硫酸吸收SO3的目的是因為SO3與水反應產生大量酸霧，形成酸霧既不利于SO3的吸收，同時又腐蝕設備，用98.3%的濃H2SO4吸收SO3，形成發煙硫酸，再用水稀釋，效果更好。
2.工業制硫酸中提高硫酸產率的措施
(1)適當增加反應物濃度。燃燒硫鐵礦時通入過量的廉價空氣使之充分燃燒。
(2)增大接觸面積。在沸騰爐中，將礦石從上部投入，空氣從下面充入，粉碎硫鐵礦，吸收塔中填充瓷環，采取逆流方式吸收SO3都是為了增大接觸面積(增大反應速率)。
(3)使用催化劑。接觸室中用V2O5作催化劑，加快反應速率。
(4)循環利用反應物。吸收塔上部導出的氣體再次通入接觸室，進行第二次氧化、再吸收。
3.工業制硫酸中的“三廢”處理
(1)廢氣
①尾氣中主要含有N2、O2、SO2，直接排放會污染大氣。
②常見的處理方法有堿液吸收法等。用氨水吸收：SO2＋2NH3·H2O===(NH4)2SO3＋H2O、SO2＋NH3·H2O===NH4HSO3。當吸收液中NH4HSO3達一定濃度后，再與濃硫酸反應放出SO2氣體，生成硫酸銨：2NH4HSO3＋H2SO4===(NH4)2SO4＋2H2O＋2SO2↑。(NH4)2SO4作肥料，SO2重新通入接觸室被氧化，循環利用。
(2)廢液：呈酸性，用石灰乳處理污水。
(3)廢渣：含Fe2O3，可用作煉鐵原料，或用作制水泥、制磚的原料等。
1.在硫酸工業生產中，SO3的吸收過程是在吸收塔(如圖)中進行的，吸收塔里還裝入了大量瓷環。下列有關說法不正確的是(　　)
A.從①處通入SO3，整個吸收操作采取逆流的形式
B.從②處噴下98.3%的硫酸，瓷環的作用是增大接觸面積
C.從③處導出的氣體只含有少量SO2，可直接排入大氣
D.從④處流出的是可用水或稀硫酸稀釋的硫酸
答案　C
解析　從吸收塔上部導出的氣體有N2、未參與反應的O2和少量SO2，直接排入大氣會污染環境，所以應用吸收劑吸收或循環使用，故C錯誤。
2.在工業生產硫酸的過程中，為了有利于SO2的轉化，且能夠充分利用熱能，采用了中間有熱交換器的接觸室，如圖所示。按此密閉體系中氣體的流向，在A處流出的氣體為(　　)
A.SO2　 B.SO3、O2
C.SO2、O2　 D.SO3、SO2
答案　C
解析　干燥的SO2與O2發生化學反應的有利條件是催化劑和約450 ℃的溫度。在通常狀況下SO2與O2不發生反應，即使在加熱的條件下也基本上不發生反應。從熱交換器(或接觸室)左側進入的是SO2與O2的混合氣體，在熱交換器內只是被加熱升高溫度，沒有與催化劑接觸，基本上沒有SO3生成。從熱交換器內出來的熱SO2與O2的混合氣體，進入接觸室內的催化劑區域后，發生可逆反應，生成SO3。
二、濃硫酸的性質
[實驗1]　
實驗裝置
實驗現象　蔗糖逐漸變黑，體積膨脹，形成疏松多孔的海綿狀的炭，品紅溶液褪色。
[實驗2]
某實驗小組試用下圖所列各裝置設計一個實驗，來驗證[實驗1]的各種產物。
1.②中所加固體藥品是什么？可驗證的產物是什么？確定②在整套裝置中位置的理由是什么？
提示　因為②是驗證水蒸氣的裝置，所以其中固體藥品必是可與水結合，而且有可觀察到明顯現象變化的物質，中學中熟悉的是白色無水硫酸銅遇水變藍，或變色硅膠遇水由藍色變為粉紅色。確定②位置的理由是①③都是水溶液。
2.實驗時可觀察到①中A瓶的溶液褪色，C瓶的溶液不褪色。A、B、C三瓶溶液的作用分別是什么？
提示　A瓶中品紅溶液褪色，可證明產物中有SO2，C瓶溶液不褪色說明進入C瓶的氣體中已沒有SO2，從而推斷出B瓶溶液的作用是除去混合氣中的SO2，因而C瓶溶液的作用是確認氣流中SO2已被B瓶溶液全部吸收。
3.③中所盛溶液是什么？可驗證哪一種產物？
提示　由于從①中C瓶出來的氣流中已確認沒有SO2，因此③中所盛溶液必定是澄清石灰水，用來驗證氣流中的CO2。
1.濃硫酸吸水性和脫水性的區別
(1)吸水性：濃硫酸能吸收物質中游離的水，如氣體、液體中的水分子，以及固體中的結晶水等。如濃硫酸吸收CuSO4·5H2O晶體中的結晶水。
(2)脫水性：物質中本來沒有水分子，濃硫酸可將有機物中的H、O原子按2∶1比例以“H2O”的形式脫去，如可以使蔗糖、纖維素、紙張等脫水炭化。
(3)脫水性與吸水性的根本區別在于物質本身是否存在水分子。
2.濃硫酸強氧化性的體現
濃硫酸具有強氧化性，主要是構成酸根的中心原子易獲得電子，顯示出與稀硫酸(H＋獲得電子)不同的強氧化性。
(1)與金屬的反應
②較不活潑金屬：金屬＋濃硫酸高價態硫酸鹽＋SO2↑＋H2O(體現強氧化性和酸性)。
(2)與非金屬反應
非金屬單質＋濃硫酸高價態氧化物或含氧酸＋SO2↑＋H2O。
注意：沒有“加熱”條件，較不活潑金屬，非金屬不能與濃硫酸反應；變稀硫酸“加熱”也不能反應。
(3)與還原性物質反應
濃硫酸具有強氧化性，能將還原性物質(如H2S、HI)氧化，如：H2S＋H2SO4(濃)===S↓＋SO2↑＋2H2O。
3.下列關于濃硫酸的敘述正確的是(　　)
A.濃硫酸具有吸水性，因而能使蔗糖炭化
B.藍色膽礬晶體滴加濃硫酸時變為白色固體
C.濃硫酸是一種干燥劑，能夠干燥氨氣、氫氣等氣體
D.濃硫酸與銅片共熱的反應中，濃硫酸只表現強氧化性
答案　B
解析　濃硫酸具有脫水性，使蔗糖中氫、氧元素以水的形式脫出，而使蔗糖炭化變黑，與吸水性無關，A錯誤；濃硫酸具有吸水性，能吸收膽礬晶體中的結晶水，可以使藍色的膽礬晶體失水變為白色晶體，B正確；濃硫酸是一種酸，能和氨氣反應，故不能干燥氨氣，C錯誤；濃硫酸與銅片共熱的反應中，濃硫酸既表現出強氧化性，又表現出酸性，D錯誤。
4.濃硫酸在使下列物質發生轉化時，只表現強氧化性的是(　　)
A.Al→Al2(SO4)3 B.C→CO2
C.FeO→Fe2(SO4)3 D.Fe2O3→Fe2(SO4)3
答案　B
解析　A項，鋁與濃硫酸反應生成硫酸鋁、二氧化硫和水，濃硫酸表現強氧化性和酸性，不符合題意；B項，C＋2H2SO4(濃)CO2↑＋2SO2↑＋2H2O，沒有硫酸鹽生成，濃硫酸只表現強氧化性，符合題意；C項，氧化亞鐵與濃硫酸反應生成硫酸鐵、二氧化硫和水，濃硫酸表現強氧化性和酸性，不符合題意；D項，氧化鐵與濃硫酸反應生成硫酸鐵和水，沒有元素化合價的變化，屬于非氧化還原反應，濃硫酸只表現酸性，不符合題意。
5.下列關于濃硫酸與Cu反應的敘述正確的是(　　)
A.在該反應中，濃硫酸只表現強氧化性
B.在該反應中，還原劑與氧化劑的物質的量之比為1∶2
C.在該反應中，濃硫酸既表現強氧化性又表現酸性
D.每1 mol Cu參加反應就有2 mol H2SO4被還原，同時生成2 mol SO2
答案　C
解析　該反應的化學方程式為Cu＋2H2SO4(濃)CuSO4＋SO2↑＋2H2O，分析反應前后元素化合價的變化可知，濃硫酸既表現強氧化性又表現酸性；該反應為氧化還原反應，每2 mol H2SO4參加反應只有1 mol H2SO4被還原，生成1 mol SO2，還原劑與氧化劑的物質的量之比為1∶1。
1.實驗室有兩瓶硫酸，分別是濃硫酸和稀硫酸，但由于同學的粗心將標簽弄混了。請你幫助該同學選擇既簡單又可靠的區分方法 (　　)
A.與銅片反應
B.與石蕊溶液反應
C.用玻璃棒各蘸少許涂在紙上
D.加入鋅片看是否有氣體生成
答案　C
解析　Cu與稀硫酸不反應，與濃硫酸反應需要加熱， A不符合題意；與石蕊溶液反應，溶液都變紅色，現象不明顯，B不符合題意；用玻璃棒各蘸少許涂在紙上，變黑的為濃硫酸，可鑒別，既簡單又安全，C符合題意；加入鋅片都生成氣體，分別為SO2、H2, D不符合題意。
2.在硫酸的工業制法中，下列生產操作和主要原因均正確的是(　　)
A.硫鐵礦燃燒前要粉碎，因為大塊硫鐵礦不能燃燒
B.從沸騰爐出來的氣體需凈化，因為爐氣中的SO2會與雜質反應
C.SO2氧化成SO3，SO2能全部轉化為SO3
D.SO3用98.3%的濃硫酸吸收，目的是防止形成酸霧，以便使SO3吸收完全
答案　D
解析　硫鐵礦燃燒前要粉碎，目的是增大接觸面積，使礦石燃燒更充分，A錯誤；從沸騰爐中出來的氣體含有雜質，會造成催化劑中毒，使催化劑失去催化作用，B錯誤；SO2氧化成SO3的反應是可逆反應，SO2不能全部轉化為SO3，C錯誤；D正確。
3.向50 mL 18 mol·L－1的H2SO4溶液中加入足量的銅片并加熱，充分反應后，被還原的H2SO4的物質的量(　　)
A.小于0.45 mol
B.等于0.45 mol
C.在0.45 mol和0.90 mol之間
D.大于0.90 mol
答案　A
解析　Cu與稀硫酸不反應，在加熱條件下銅和濃硫酸能發生反應。由反應Cu＋2H2SO4(濃)CuSO4＋SO2↑＋2H2O可知，參加反應的H2SO4有一半被還原，在Cu與濃硫酸的反應過程中，濃硫酸的濃度逐漸降低，變成稀硫酸時反應將停止，所以0.9 mol H2SO4與足量銅片反應時，被還原的H2SO4的物質的量小于0.45 mol。
4.(2022·徐州高一期末)SO3可溶于濃硫酸生成H2SO4·SO3，繼續與水反應轉化為H2SO4，下列有關硫酸的說法正確的是(　　)
A.濃硫酸具有吸水性，可用于干燥SO3
B.濃硫酸與鐵不反應，可用鐵罐儲運濃硫酸
C.常溫下，可用濃硫酸與Cu反應制備SO2
D.將1 mol H2SO4·SO3全部轉化為H2SO4需消耗1 mol H2O
答案　D
解析　濃硫酸具有很強的吸水性，但能與SO3反應生成H2SO4·SO3，不可用于干燥SO3, A錯誤；常溫下金屬Fe與濃硫酸發生鈍化反應，會在金屬表面形成致密的氧化膜，阻止反應進一步發生，可用鐵罐來進行貯存、運輸冷的濃硫酸， B錯誤；常溫下，銅和濃硫酸不反應，加熱條件下可用濃硫酸與Cu反應制備SO2, C錯誤；將1 mol H2SO4·SO3全部轉化為H2SO4需消耗1 mol H2O得到2 mol H2SO4, D正確。
5.某小組同學用如圖所示裝置進行銅與濃硫酸的反應，并探究產物的性質(夾持裝置已略去)。
(1)試管①中反應的化學方程式是____________________________
_______________________________________________________；
用“可抽動銅絲”代替“直接投入銅片”的優點是
_______________________________________________________。
(2)若試管②中的試劑為品紅溶液，實驗中觀察到的現象是_______________________________________________________；
若試管②中的試劑為酸性KMnO4溶液，實驗時，觀察到溶液褪色，則說明生成的氣體具有____________性。
(3)試管③中的試劑為NaOH溶液，其作用是____________，反應的離子方程式是_______________________________________________________
_______________________________________________________。
答案　(1)Cu＋2H2SO4(濃)CuSO4＋SO2↑＋2H2O　便于控制反應的發生和停止
(2)品紅溶液褪色　還原
(3)吸收尾氣　SO2＋2OH－===SO＋H2O
解析　(1)銅與濃硫酸在加熱條件下發生反應生成硫酸銅、水和SO2氣體，反應方程式為：Cu＋2H2SO4(濃)CuSO4＋SO2↑＋2H2O。在加熱的條件下，當銅絲與濃硫酸接觸時才能反應，當往上抽動銅絲時，銅絲與濃硫酸不接觸，反應停止，所以用“可抽動銅絲”的優點是便于控制反應的發生和停止。(2)SO2氣體具有漂白性，能使品紅溶液褪色，所以試管②品紅溶液褪色；SO2氣體具有強的還原性，可以被強氧化劑氧化為硫酸，若試管②中的試劑為酸性KMnO4溶液，實驗時，觀察到溶液褪色，SO2與高錳酸鉀發生氧化還原反應而褪色，體現SO2的還原性。(3)SO2是有毒氣體，不能直接排放到空氣中，由于SO2屬于酸性氧化物，所以可用NaOH溶液進行尾氣處理，反應的離子方程式為：SO2＋2OH－===SO＋H2O。

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