依据化学反应原理确定生成过程优质教案设计

第1课时 生产硫酸的基本流程

学案

【学习目标】

1.依据化学反应原理知识，了解生产硫酸的基本流程。

2.了解硫酸工业生产中原料、厂址和规模的选择。

3.了解硫酸生产过程中反应条件的控制。

4.了解化学科学实验与化工生产的区别。

【重点难点】

1.化工生产过程中的基本问题。

2.工业制硫酸的生产原理。

课前预习

【情景材料】化工生产过程比较复杂，但一些最基本的问题是相似的，例如，任何化工生产都涉及到传质（物料的流动）、传热（能员的传导）、传动（动力的传输）和化学反应器等。根据课程标准的要求，将化学反应原理、反应发生的条件、原料的选择、三废的处理和能量的利用等作为化工生产过程中的基本问题，结合一些典型产品的生产过程，使学生对化工生产的基本过程有一个初步的认识。

【预习内容】

根据教材有关内容填写下列空白：

一、依据化学反应原理确定生产过程

1.工业制备硫酸，要从以下几个方面考虑

(1)采用的原料应该是自然界中的含

物质，如

、

。

(2)生产过程中，要先使硫元素转化成

，再把

转化成

，再与水反应制得

。

2.工业制硫酸主要分

、

、

个阶段

(1)以S为原料制备SO2

化学反应方程式

，（属

反应）

(2)利用催化氧化反庇将SO2氧化成SO3

化学反应方程式

，（属

反应）

(3)三氧化硫转化成硫酸

化学反应方程式

，（属

反应）

3.工业制硫酸主要生产流程

[来源学§科§网Z§X§X§K]

二、生产中原料的选择

工业生产某种化工产品，选择原料时，要从多方面虑，如

、

、原料、能源、工业用水的供应能力、储存、运输、预处理成本及环境保护等。

(1)从基建投资、加工费用及环保方面考虑，用

制硫酸优于用

制硫酸。

(2)我国天然硫资源

，而且开采条件

。

(3)我国黄铁矿储量比天然硫要

。

(4)硫黄制硫酸比黄铁矿制硫酸生产流程

、设备

、三废

少，劳动生产率

，易于设备

。

(5)由于原料多需进口，硫黄制硫酸成本比黄铁矿制硫酸

。

三、生产中反应条件的控制

1.硫酸工业生产的三个主要设备是

、

、

。

2.温度较

时，越有利于SO2转化为SO3，通常选择作为操作的温度，因为在这个温度范围内，

和

都比较理想。

3.压强的增大，SO2的转化率

。通常采用操作

。

4.催化剂：催化剂对化学平衡

，但能改变到达平衡所需的时间，即增大

。

预习内容答案

一、1．(1)硫

硫黄

黄铁矿（主要成分FeS2）

(2)SO2

SO2

SO3

H2SO4

2.造气

催化氧化

吸收

(1)S(s)+O2 (g)=SO2 (g)

放热

(2)2SO2 (g)+ O2 (g) 2SO3(g)

放热

(3)SO3(g)+H2O(l)=H2SO4(1)

放热

3.空气

制SO2

400～500℃

常压、催化剂

SO3

发烟硫酸

水

98%硫酸

98%硫酸

二、化学反应原理

厂址选择

(1)硫黄

黄铁矿

(2)缺乏

比较复杂

(3)大

(4)短

简单

治理量

高

大型化

(5)高

三、1.沸腾炉

接触室

吸收塔

2.低

400～500℃

反应速率

二氧化硫的转化率

3.变化不大

常压

4.没有影响

化学反应速率

堂中互动

【问题探究1】对于某一具体的化工产品，研究生产过程要从产品的化学组成和性质考虑，来确定原料和生产路线。请结合课本写出关于工业制硫酸的反应原理和过程？

【教师点拨】掌握七个“三”，即“三阶段”、“三原料”、“三反应”、“三设备”、“三杂质”、“三净化”、“三原理”。

分析解答:化工生产是以化学反应原理为依据，以实验室研究为基础的。任何生产的完成都要符合化学反应规律。

【即学即练1】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是正确的是(

) A.硫铁矿燃烧前要粉碎，因为大块的硫铁矿不能燃烧

B.SO3用98.3%的浓H2SO4吸收，目的是防止形成酸雾，以便SO3吸收完全

[来源:Zxxk.Com]

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.从沸腾炉出来的炉气需净化，因为炉气中SO2会与杂质反应

1.B【解析】本题考查化工生产中的技术处理问题。可从化学反应速率、化学平衡移动及实际生产三个方面考虑各种操作条件的原因。矿石粉碎是为了提高反应速率，并不是因为大块的硫铁矿不能燃烧；用浓硫酸吸收SO3是为了防止水与其形成酸雾；使用催化剂可以提高反应速率，但不能提高SO2的转化率；从沸腾炉出来的炉气需净化，因为炉气中杂质会使催化剂中毒。

【问题探究2】阅读P6表1-1，结合二氧化硫催化氧化的反应特点：是否温度越低越有利于SO2

转化为SO3

？阅读P6表1-2,分析随压强的增大，SO2的转化率怎么改变？是否压强越高越好? 【教师点拨】反应方程式2SO2(g)＋O2(g)

2SO3(g)，属放热的可逆反应，气体体积减少的反应，从化学平衡的角度解释。工业生产中压强的选择，往往还要考虑成本和能量消耗等问题。

分析解答：根据外界条件对化学反应速率和化学平衡影响的规律，选择化工生产的适宜条件时，既要注意外界条件对二者影响的一致性，又要注意对二者影响的矛盾性；既要注意温度、催化剂对化学反应速率影响的一致性，又要注意催化剂的活性对温度的限制；既要注意理论生产，又要注意实际可能性。

【即学即练2】已知，在硫酸工业中，

①SO2转化为SO3的反应为：2SO2 + O2

2SO3

△H＜0。

②经测定，在常压下上述反应的平衡混合气体中，SO2的体积分数为91%。

③催化剂V2O5的催化效率f与温度T有如图所示的关系。

④经除尘除杂后的SO2气体的温度约为200℃，反应后SO3气体温度约为600℃。

请根据以上信息，选择SO2催化氧化的适宜条件。

2.SO2氧化过程的适宜条件为：①氧气或空气适当过量；②常压；③450℃～500℃；

④使用热交换器。

【解析】由①及化学平衡原理，加压有利于SO2的转化，但由②知，常压下SO2的转化率已很高，因转化率的上升空间较小，故不必再来取加压措施，以省掉加压泵的开支和降低接触室的造价。观察催化剂的催化效率与温度关系图知，450℃以后催化效率基本不变，升温有利于提高反应速率，但不利于SO2转化，故反应温度控制在450℃～500℃为宜。除尘后SO2温度低，不利于SO2氧化反应的进行，生成的SO3温度高，不利于SO3的吸收，解决这一问题的方法是使用热交换器。

【问题探究3】二氧化硫的催化氧化反应：2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g) 1.请用平衡移动原理来解释：为什么降低温度和增大压强有利于提高转化率？

2.如果其他条件不变，分别改变下列条件，将对化学平衡有什么影响？

(1)增大O2的浓度；(2)减小SO3的浓度。

[来源学科网]

【教师点拨】如果改变影响平衡的一个条件（如浓度、温度、压强等），平衡就向能减弱这种改变的方向移动。催化剂能同等程度地增加正反应速率和逆反应速率，因此对化学平衡没有影响，但能改变到达平衡所需的时间。

分析解答：①浓度对化学平衡的影响，增大生成物的浓度或减小反应物的浓度时，平衡向逆反应方向移动。

②在生产上，往往采用增大容易取得的或成本较低的反应物浓度的方法，使成本较高的原料得到充分利用。

(2)压强对化学平衡的影响,一般规律：对于有气体参加且反应前后气体体积不相等的可逆反应，在其他条件不变的情况下，若增大压强(即相当于缩小容器的体积)，则平衡向气体总体积减小的方向移动，若减小压强(即增大容器的体积)，则平衡向气体总体积增大的方向移动。

【即学即练3】有关接触法制硫酸的叙述不正确的是(

)。

．．．A.硫黄和硫铁矿均可作为生产原料

B.将矿石粉碎，是为了提高反应速率

C.反应中通入过量的空气是为了提高FeS2和和SO2的转化率

D.从吸收塔出来的硫酸经浓缩后可以变成发烟硫酸

3.D【解析】A项，理论上，可转化成SO2的任何含硫物质均可作为硫酸的生产原料，（如S、FeS、FeS2、H2S等），但在生产实践中，应选取那些储量大、矿质品位高、资源丰富、便于开采和加工的矿物作为化工原料，综合分析，A正确。B项，生产中对矿石进行粉碎，既可增大原料之间的相对接触面积（增大反应速率），又可提高原料的利用率（转化率），故B正确。C项，从硫酸生产的三个反应看（FeS2→SO2→SO3→H2SO4，有两个反应要耗用氧气，故生产中可采用通入过量空气的方法来提高FeS2和SO2的转化率，故C正确。D项，在吸收塔中，是用98%的浓硫酸吸收SO3的，所得到发烟硫酸，可用水或稀硫酸稀释，制得各种浓度的硫酸，故D错误。

练案

一、选择题（每小题5分，共35分）

1.在以下条件下，宜于建工厂的城市是(

)。

A.城市郊区有丰富的黄铁矿资源，水源、能源充足

B.城市是一座风光秀丽、空气清新的旅游城市

C.城市有丰富的磷灰石，拟建一座大型的磷肥厂

D.城市需使用硫酸的工业不多，却有丰富的黄铁矿资源

1.AC【解析】本题考查了从综合的角度分析建设工厂的一般条件。

2.接触法制硫酸中，与之无关的设备是（

）

A.吸收塔

B.接触室

C.沸腾炉

D.氧化炉

2.D【解析】接触法制硫酸三种设备:沸腾炉、接触室、吸收塔。

3.硫酸工业中燃烧硫铁矿生产SO2时，为提高生成SO2的速率，下列措施可行的是（

）

A.把块状矿石粉碎成粉末

B.降低温度

C.减小压强

D.使用催化剂Fe2O3

3.A【解析】生产中对矿石进行粉碎，既可增大原料之间的相对接触面积（增大反应速率），又可提高原料的利用率（转化率）。

4.化工厂厂址选择是一个复杂的问题，受到原料、水源、能源、土地供应、市场需求、交通运输和环境保护等诸多因素的制约，硫酸厂应建在(

)

①靠近原料产地，远离消费中心的地区

②靠近消费中心，稍偏离原料产地的地区

③交通便利，人口稠密的居民区

④环保要求高的地区，便于“三废”的治理

A.①②③④

B.①③④

C.①②④

D.②

4.D【解析】因硫酸是一种强腐蚀性液体，运输极不方便，需要较高的成本，所以硫酸工厂厂址选择上首先要考虑建在②且远离环保要求高的地区。

5.下列对硫酸生产中化学反应原理的分析中正确的是（

）。

A.硫酸生产中涉及的三个化学反应因原料的不同可能全部是非氧化还原反应

B.硫酸生产中涉及的三个化学反应都是放热反应

C.硫酸生产中涉及的三个化学反应都需要用催化剂

D.硫酸生产中涉及的三个化学反应都需要在较高的温度下才能进行

5.B【解析】硫酸生产中涉及的三个化学反应为：①S＋O2SO2 ；

②2SO2 + O2

2SO3

；

③SO3＋H2O＝H2SO4。这三个反应中第一和第二个是氧化还原反应，第一和第三个反应不需催化剂反应就非常快，第三个反应在常温下就非常剧烈，这三个反应都是放热反应（工业还采取措施利用这些反应放出的热量），所以选项A、C、D都是错误的，选项B正确。

6.将三氧化硫溶解在硫酸中所得到的混合物称为“发烟硫酸”，通常以三氧化硫的质量分数表－示其组成。将

0.1185 g发烟硫酸试样溶于水，用

0.125 mol·L1的NaOH标准溶液滴定。用去此标准溶液20 mL，恰好中和，则试样中SO3的质量分数为（

）

A.15%

B.17%

C.34%

D.60%

[来源学§科§网Z§X§X§K]6. A【解析】n(NaOH)＝0.125mol·L1×20×103L＝2.5×103mol 2NaOH

＋

H2SO4＝Na2SO4＋2H2O 2mol

1mol －－2.5×103mol

1.25×103mol 设发烟硫酸的组成为H2SO4·nSO3，溶于水后1mol发烟H2SO4生成(n＋1)mol H2SO4。

－－－1.2510－3mol

故1.25×10mol H2SO4对应发烟硫酸的物质的量为：n1－31.2510－3mol(98＋80n)gmol－1＝0.1185g

n＝0.22 可得：n＋1故SO3的质量分数为0.2280100％＝15％

98＋2.280[来源学科网]7.接触法制硫酸的炉气组成是SO2占7%，O2占11%，N2占82%，现有100L混合气体进入接触室反应后，总体积变为97.2L。则该变化过程中SO2转化率是(

)

A.50%

B.60%

C.70%

D.80% 7.D【解析】解法一：设参加反应的二氧化硫体积为2x

2 SO2 + O2 2 SO3

N2体积（L）

总体积（L）

开始时体积（L）

7

11

0

82

100 反应后体积

（L）7-2x

11-x

2x

82

100-x 根据题意100-x=97.2

x=2.8L

二氧化硫的转化率为5.6L÷7L×100%=80%，答案为D。

解法二：设参加反应的二氧化硫体积为2x 2 SO2 + O2

2 SO3

体积差（L）

2L

1L

2 L

1L 2X

100L-97.2L=2.8L

X=2.8L 二氧化硫的转化率为5.6L÷7L×100%=80%，答案为D。