依据化学反应原理确定生成过程教学内容

第一单元

走进化学工业

课题1

化工生产过程中的基本问题

●以硫酸工业为例，了解化工生产中的一些基本问题。

●知道生产硫酸的主要原理、原料、流程和意义。

●能用勒夏特列原理选择二氧化硫催化氧化的合适条件。

●了解环境污染及其保护的知识。

[知识梳理] 1．写出以硫为原料，工业制备硫酸的化学反应方程式：⑴ ；

⑵ ；⑶ 。

2．工业生产硫酸的三个阶段为① ；② ；

③ 。

3．写出硫铁矿燃烧的化学方程式

，反应中

是氧化剂，

是还原剂。

4．在硫酸工业中，通过下面反应使SO2氧化成SO3：2SO2+O2

加热

2SO3

△H＜0 ⑴在生产中常用过量的空气是为了

；

⑵加热到400OC～500OC，可以提高

，缩短

；

⑶常用浓硫酸而不是用水来吸收SO3，是由于

；

⑷尾气中有SO2，必须回收，写出用石灰水吸收SO2的化学反应方程式

。

5．硫酸工业中“三废”的危害及治理。

废气

废液

废渣

6．化工厂厂址的选择应考虑哪些因素？硫酸工厂的选择还应考虑哪些因素？

主要成分

主要危害

治理方法

催化剂

[方法导引] 1．硫酸工业

三原料：硫(或硫铁矿)、空气、水。

高温

三反应：①S＋O2

SO2

(4FeS2＋11O2

2Fe2O3＋8SO2)

△

催化剂

②2SO2 + O2

加热

2SO3

③SO3＋H2O＝H2SO4 三阶段：造气、催化氧化、三氧化硫吸收。

生产条件：

温度：根据化学平衡移动原理，应在较低温度下进行，但温度较低时催化剂活性不高，反应速率低，从综合经济效率考虑，对生产不利。实际生产中采用4000C～5000C作为操作温度。

压强：根据化学平衡移动原理，增大压强能提高SO2转化率，但提高幅度不大。考虑加压必须增加设备，增大设资和能量消耗，而常压下4000C～5000C时，SO2的平衡转化率已经很高，所以实际采用常压操作。

2．硫酸工业综合经济效益的讨论

⑴尾气处理：尾气中的SO2可用石灰水处理，发生的反应为：

SO2＋Ca(OH)2＝CaSO3＋H2O CaSO3＋H2SO4＝CaSO4＋SO2↑＋H2O。气体可返回作原料。

也可用氨水或氢氧化钠溶液吸收二氧化硫气体。

⑵污水治理：用石灰乳中和处理。

Ca(OH)2＋H2SO4＝CaSO4＋H2O ⑶废渣利用：制水泥、渣砖，品位高的矿渣用来炼铁。

⑷能量的利用：充分利用反应热，降低生产成本。

⑸生产规模和厂址的选择

现代化工生产应有较大的生产规模。厂址选择涉及原料、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，应综合考虑权衡利弊，才能作出合理抉择。硫酸厂不应建在人口稠密的居民等环保要求高的地区。

3．环境污染及其环境保护

工业“三废”是指废气、废水、废渣。环境污染包括大气污染、水污染、土壤污染、食

品污染、噪声污染等。消除污染的主要方法是减少污染物的排放。

二氧化硫是污染大气的主要有害物质之一，它对人体的直接危害是引起呼吸道疾病，严重时会使人死亡。空气中的二氧化硫在氧气和水的共同作用下，会形成硫酸，空气中的硫的氧化物和氮的氧化物随雨水降下就形成酸雨。

酸雨危害极大：①直接破坏农作物、森林和草原，使土壤酸性增强；②使湖泊酸化，造成鱼类等死亡；③加速建筑物、桥梁、工业设备，以及电信电缆等的腐蚀。

环境保护一般采用的方法：

①严格治理“三废”，严格执行国家关于“三废”的排放标准。

②将“三废”变成有用的副产品，实行综合利用。

③建立无废物排放出的“封闭式生产”，实行绿色生产。

④保护生态环境。

⑤人人建立环境保护的意识，减少废弃物的排放。

[例题1]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

△

[解析]硫酸生产中涉及的三个化学反应为：①S＋O2

SO2 ；

②2SO2 + O2

加热

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。

[答案] B [例题2]已知，在硫酸工业中，

催化剂

催化剂

①SO2转化为SO3的反应为：2SO2 + O2

加热

2SO3

△H＜0。

②经测定，在常压下上述反应的平衡混合气体中，f

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

300

500

700 T / ℃

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。

[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。

[答案]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。

[例题3]硫酸是许多化学工业的原料，其消费量可作为一个国家工业发展水平的一种标志。硫酸工厂厂址的选择是一个复杂的问题，影响化工厂选址的因素有是否接近原料供应地、土地供应是否充足、水源是否充足、交通运输是否方便、能源是否充足廉价、能否有市场需求等。又已知硫酸是一种腐蚀性液体，不便较多贮存，需随产随销。另外，硫酸的运输价格也比较贵，据估算1 t H2SO4的运价约为同质量黄铁矿石的三倍。据以上信息，分析下列条件：

条件（I）

①A城市郊区有丰富的黄铁矿资源，水源、能源充足，交通方便。

②A城市需使用硫酸的工业不多，而离它远的B城市却是一个消耗硫酸甚多的工业城市。

③A城市是一个风光秀丽的旅游城市，对环境保护的要求甚高，而且土地价格较贵，土地供应紧张。

条件（II）

①C地是重要的农业区，需消耗大量的肥料。

②C地有丰富的磷灰石矿藏，水源、能源充足，土地价格较低，土地供应充足，交通方便。

③磷肥是由磷灰石[有效成分是Ca3(PO4)2]与H2SO4作用制得的，制造磷肥需消耗大量的硫酸。

④C地无磷肥厂和硫酸厂，在相邻的D地有丰富的黄铁矿资源。

在A、B、C、D四城市中，你认为应该建设硫酸工厂的城市是

，应该建造磷肥厂的城

市是

。

[解析]该题文字较长，阅读量大，要抓住关键词语，如硫酸需随产随销。运输方面尽量运输矿石而不运输硫酸，这是选择建设硫酸工厂的关键。综合分析得出建设硫酸工厂的城市应为B和C，建造磷肥厂的城市是C。

[答案]B、C；C 〔基础训练〕

1.下列物质一般不能用作硫酸工业的原料的是（

）。

A．硫磺

B．有色金属冶炼厂含二氧化硫的烟气

C．石油脱硫获得的硫磺

D．天然气

2．导致下列现象的主要原因与排放二氧化硫有关的是（

）。

A．酸雨

B．光化学烟雾

C．臭氧空洞

D．温室效应

3．目前我国许多地区定期公布空气质量报告。在空气质量报告中，一般不涉及的是（

）。

A．SO2

B．CO2

C．NO2

D．可吸入颗粒物

4．我国锅炉燃煤煤采用沸腾炉逐渐增多，采用沸腾炉的好处在于（

）。

A．增大煤炭燃烧时的燃烧热

B．减少炉中杂质气体（如SO2等）的形成

C．使得化学平衡发生移动

D．使得燃料燃烧充分，从而提高燃料的利用率

5．防止SO2气体污染大气，工业上常用吸收SO2气体的溶液是（

）。

①水

②酸性KMnO4溶液

③品红溶液

④碱液

⑤Na2SO3溶液

A．① B．②③ C．③④ D．④⑤

6．下列情况可能引起大气污染的是（

）。

①煤的燃烧

②工业废气的任意排放

③燃放鞭炮

④飞机、汽车尾气的排放

A．只有①② B．只有②④ C．只有①②③ D．①②③④

7．你认为减少酸雨产生的途径可采取的措施是（

）。

①少用煤作燃料 ②把工厂烟囱造高 ③燃料脱硫 ④在已酸化的土壤中加石灰

⑤开发新能源

A．①②③ B．②③④⑤ C．①③⑤ D．①③④⑤

8．化工厂厂址厂址选择是一个复杂问题，涉及原料、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 ②靠近消费中心，稍偏离原料产地 ③交通便利，人口稠密的居民区 ④建在环保要求高的地区，便于“三废”的治理

A．①②③④ B．①③④ C．①②④ D．只有②

9．“绿色化学”是指从技术、经济上设计可行的化学反应，尽可能减少对环境的负作用。下列化学反应不符合绿色化学概念的是（

）。

A．消除硫酸厂尾气中的SO2：SO2+2NH3+H2O=(NH4)2SO3

B．消除制硝酸工业尾气的氮氧化物污染：NO+NO2+2NaOH=2NaNO2+H2O

△

C．制CuSO4：Cu+2H2SO4（浓）

CuSO4+SO2↑+2H2O

△

D．制CuSO4：2Cu+O2

2CuO

CuO+H2SO4（稀）=CuSO4+H2O 10．下列反应能用勒夏特列原理解释的是（

）。

A．由SO2和O2反应制SO3需使用催化剂

B．燃烧粉碎的黄铁矿矿石有利于SO2的生成

C．硫酸生产中用98.3%的硫酸吸收SO3，而不用H2O或稀硫酸吸收SO3

D．通入足量的氧气，有利于提高SO2的转化率

11．“飘尘”是物质燃烧时产生的粒状漂浮物，颗粒很小不易沉降（可漂浮数年），它与空气中的SO2、O2接触时，SO2会部分转化为SO3，使空气酸度增加，飘尘所起的主要作用是（

）。

A．氧化剂

B．还原剂

C．吸附剂

D．催化剂

12．硫酸工业中2SO2(g) + O2(g)

加热

2SO3(g)（正反应为放热），有关数据如下：（表中数据为SO3在平衡混合气体中的体积百分率）

1×105Pa 1×105Pa 1×105Pa 1×105Pa 1×105Pa 98.9% 92.9% 99.2% 94.9% 99.6% 97.7% 99.7% 98.3%

催化剂

4500C 97.5% 5500C 85.6%

⑴应选用的温度是

，其理由是

。

⑵应选用的压强是

，其理由是

。

13．为了防治酸雨，降低煤燃烧时向大气排放的二氧化硫，工业上将生石灰和含硫煤混合使用，请写出燃烧时有关“固硫”（不使硫化合物进入大气）反应的化学方程式 ， 。

14．二氧化硫是大气污染物，大量的二氧化硫来源于 ，二氧化硫不仅本身污染大气，它在大气中经尘粒催化能与水、氧气作用，形成危害更大的酸雨，反应的化学方程式是 。抽取某地酸雨水样进行检验，测得各离子的

浓度分别是：c（Na）＝2.3×10mol·L, c (Cl)＝3.5×10mol·L, c (NH4)＝7.0×10mol·L, c（SO4）＝2.5×10mol·L,则该酸雨的pH为 。

15．形成酸雨的原理之一可表示如下：

O2

O2

H2O 含硫燃料

反应①

A

反应②

B

反应③

硫酸。

-6-12--6-1+-5-1-－5－1+回答下列问题：

⑴A物质的化学式

，B物质的化学式

。

⑵三个反应中不属于氧化还原反应的是

（填序号）。

⑶二氧化硫中硫元素显+4价，它可能降低到0价，利用这一性质可在工厂的烟道气中通入合适的

（填“氧化剂”或“还原剂”）除去二氧化硫，达到减小污染的目的。

⑷从环境保护的角度认为，雨水的pH＜5.6时，就判断为酸雨，经测定某次雨水只含硫酸，且浓度为5×10mol·L，这次降雨 （填“是”或“不是”）酸雨。

16．接触法制硫酸时，若所用硫铁矿含硫48%，且生产过程中有2%的硫留在炉渣里。试计算1t硫铁矿燃烧，理论上能生产多少吨98%的硫酸？

[拓展提高] 17．⑴硫酸最古老的生产方法是：把绿矾装入反应器中加强热，会流出油状液体，并有刺激性气味的气体（SO2）放出，反应器中的固体变为红色。这个变化过程可用两个化学方程式表示：①

；②

。

⑵NO在常温下就能与O2反应，生成红棕色的气体NO2，SO2在通常条件下就能被NO2氧化成SO3和NO，这两个反应的化学方程式分别为

，

。把这两个反应综合处理可得到一个总反应方程式

，这个总反应，就是人们曾经使用过的制造硫酸方法中的一步关键反应。这个关键反应中，NO的作用是

。这种方法的条件温和，反应速率也快，现代硫酸工业却没有使用这种方法，你认为这种方法不被采用或者说被淘汰的原因最可能是

。

18．考古科学家在大洋的小岛下钻井取沉积层样品分析，在公元前1200年及公元600年的沉积样中的硫酸盐的含量大大超过其他年份的沉积样，由此推测这些年代中，有较频繁的火山喷发活动，为什么可以这样推测？请说明理由并写出必要的化学方程式。

-5-1

19．硫酸工业中，如何有效吸收尾气里的二氧化硫、防止空气污染一直是化学家们研究的课题。从理论上讲，可以吸收二氧化硫的试剂很多，但实际上采用时要考虑许多因素，诸如原料成本、动力消耗、吸收效率、是否具有二次污染、能否取得有价值的副产品等等，因此在尾气处理中应设法进行综合利用。

⑴为了降低硫氧化物造成的污染，一种方法是在含硫燃料中（如煤）加入生石灰，这种方法称作“钙基固硫”，这种方法中“固硫”的反应是（

）。

A．2CaO+2S=2CaS+O2↑

B．S+O2=SO2

C．CaO+SO2=CaSO3

D．2CaSO3+O2=2CaSO4

⑵近闻美国和日本正在研究有Na2SO3作为治理SO2污染的一种新方法，第一步是用Na2SO3溶液吸收SO2；第二步是加热吸收液，使之重新生成Na2SO3，同时得到含高浓度SO2的水蒸气副产品，试写出上述两步反应的化学方程式

。

⑶我国化学家先后试用了烧碱吸收法、纯碱吸收法、石灰吸收法和氨水吸收法，根据我国的国情，现在一般采用氨水吸收法，写出用氨水吸收过量二氧化硫的化学方程式

。

⑷某硫酸厂每天排放1000m3（已换算成标准状况下体积）尾气中含0.2%（体积分数）的SO2，假设硫元素不损失，若用NaOH溶液、石灰及氧气处理后，理论上可得到多少kg石膏（CaSO4·2H2O）？

基础训练参考答案

1．D

2．A

3．B

4．D

5．D

6．D

7．C

8．D

9．C

10．D

11．D 12．⑴450℃

450℃时，反应速率大，SO3在平衡混合气体中的含量高，催化剂活性大⑵常压

常压时SO3的含量已很高，不需要高压，因增大压强对设备及动力系统要求高，成本大

13．SO2＋CaO＝CaSO3

2CaSO3＋O2＝2CaSO4 飘尘14．煤和石油的燃烧，金属矿石的冶炼等。2SO2＋O2

2SO3 5 15．⑴SO2

SO3 ⑵③ ⑶还原剂 ⑷不是

16. 14.7t

高温

17．⑴2FeSO4·7H2O

Fe2O3＋SO3＋SO2↑＋7H2O

SO3＋H2O ＝H2SO4

⑵2NO＋O2＝2NO2

SO2＋NO2＝SO3＋NO

2SO2＋O2＝2SO3

催化剂

转化率低，平衡时SO3在混合气体中的含量小

18．由于当火山喷发时，引起地下的大量硫磺燃烧，生成SO2气体，SO2与H2O生成亚硫酸，亚硫酸进一步氧化成硫酸，进而生成各类硫酸盐，或亚硫酸盐氧化生成硫酸盐。

△

S＋O2

SO2

SO2＋H2O＝H2SO3

2H2SO3＋O2＝H2SO4

2Na2SO3＋O2＝Na2SO4

同时也有SO3产生（占S燃烧是时的1%～5%），进而也有硫酸生成，再与金属离子结合生成硫酸盐。

2SO2＋O2＝2SO3

SO3＋H2O＝H2SO4 19．⑴CD

△

⑵Na2SO3+SO2+H2O=2NaHSO3

2NaHSO3

Na

2SO3+SO2↑+H2O ⑶SO2+2NH3·H2O=(NH4)2SO3+H2O

(NH4)2SO3+H2O+SO2=2NH4HSO3

⑷15.36kg 20．这是一道思维空间极为广泛的开放性试题。可根据自己的认识和设想，从生物、环境、化学、生产、生活诸多方面考虑，能体现学生的阅历和创造素质，可设想为①减少建筑工地粉尘；②增加城市绿地面积；③工业废气要经过处理才能排放；④减少使用含铅汽油；⑤尽量用天然气代替煤；⑥节日控制或禁止燃放烟花爆竹；⑦鼓励公交，控制城市小汽车的数量；⑧开发新能源，控制或取代矿物燃料等。从中选出四个即可。