6.3 化工生产（三大题型）-【举一反三】2024-2025学年高一化学同步讲与练（沪科版2020必修第二册）

6.3 化工生产 题型01 工业制取硫酸的反应原理和生产过程 题型02 硫酸工业中热能的合理利用 题型03 硫酸工业中的三废处理 题型01 工业制取硫酸的反应原理和生产过程 知识积累 1．原料 硫铁矿（或硫磺）、空气、水。 2．反应原理 4FeS2 + 11O22Fe2O3 + 8SO2 2SO2 + O22SO3 SO3 + H2O = H2SO4 3．主要设备 沸腾炉、转化器、合成塔 4．以硫铁矿为原料生产硫酸的流程 硫铁矿的破碎与配矿→焙烧→净化→二氧化硫的催化氧化→加水生成硫酸 1．三种原料：硫铁矿（FeS2）、空气、水。 利用接触法制硫酸一般可以用硫黄、黄铁矿、石膏、有色金属冶炼厂的烟气(含一定量的SO2)等。其中用硫黄作原料成本低、对环境污染少。但我国硫黄资源较少，主要用黄铁矿（主要成分为FeS2）作生产硫酸的原料。 2．三步骤、三反应： （1） 4FeS2 +11O2 2Fe2O3+8SO2 （硫磺燃烧也可以） （2）2 SO2+ O2 2 SO3， （3） SO3 + H2O → H2SO4 3．三设备：（1）沸腾炉（2）转化器（3）吸收塔 4．三原理：化学平衡原理、热交换原理、逆流吸收原理。 （1）增大反应物浓度、增大反应物间接触面积，能提高反应速率并使化学平衡向正反应方向移动，以充分提高原料利用率。 （2）热交换原理：在转化器中生成的热量经过热交换器，传递给进入转化器的需要预热的混合气体，为二氧化硫的接触氧化和三氧化硫的吸收创造了有利条件。 （3）逆流原理：液体由上向下流，气体由下向上升，两者在逆流过程中充分反应。 接触法制硫酸的原理、过程及典型设备 三原料 三阶段 三反应（均放热） 三设备 三净化 黄铁矿或S 造气 4FeS2+11O2 2Fe2O3+8SO2 沸腾炉 除尘 空气 接触氧化 2 SO2 + O2   2 SO3  转化器 （含热交换器） 洗涤 98.3%浓硫酸 三氧化硫吸收 SO3+ H2O →  H2SO4 吸收塔 干燥 接触法制硫酸示意图： 5．应用化学反应速率和化学平衡移动原理选择适宜条件 二氧化硫接触氧化的反应是一个气体总体积缩小的、放热的反应。 【例1】以黄铁矿和硫黄为原料生产硫酸，并将产生的尾气综合利用制备焦亚硫酸钠()的流程如图所示。下列说法错误的是 A．黄铁矿煆烧的化学方程式为 B．催化氧化过程中，为提高的利用率，可加大氧气的通入量 C．为提高的吸收效率，试剂I宜采用水进行吸收 D．吸收Ⅱ后得到溶液，则生成焦亚硫酸钠的化学方程式为 【答案】C 【分析】黄铁矿和硫黄在空气中煅烧，生成二氧化硫，再经过催化氧化得到三氧化硫，用浓硫酸吸收三氧化硫得到更浓的硫酸，未反应的含二氧化硫的尾气被氢氧化钠吸收经过加热处理得到焦亚硫酸钠。 【解析】A．黄铁矿煆烧的化学方程式为，故A正确； B．催化氧化过程中发生，为提高的利用率，可加大氧气的通入量，使得反应正向进行，故B正确； C．的吸收不宜采用水进行吸收，会形成酸雾腐蚀设备，应该用浓硫酸吸收，故C错误； D．生成焦亚硫酸钠的化学方程式为，故D正确； 故选：C。 【变式1-1】下列关于工业生产硫酸的说法错误的是 A．用水吸收三氧化硫，目的是为了防止形成酸雾 B．工业生产得到的硫酸主要以分子形式存在 C．硫酸工业的尾气必须回收、净化处理，确保制备过程绿色环保 D．接触法制硫酸分为三个流程：硫磺或硫铁矿 【答案】A 【解析】A．工业生产硫酸的过程中，在吸收塔中用浓硫酸吸收三氧化硫，目的是为了防止形成酸雾，故A错误； B．工业生产得到的硫酸为发烟硫酸，水很少，所以主要以H2SO4分子形式存在，故B正确； C．硫酸工业的尾气中含有二氧化硫，必须回收、净化处理，确保制备过程绿色环保，故C正确； D．接触法制硫酸分为三个流程，第一步沸腾炉中硫磺或硫铁矿氧化生成二氧化硫，第二步在接触室中二氧化硫催化氧化生成三氧化硫，第三步吸收塔中用98.3%的浓硫酸吸收三氧化硫制取硫酸，故D正确； 故答案为：A。 【变式1-2】工业以硫黄或黄铁矿(主要成分FeS2，烧渣主要成分为Fe2O3)为主要原料生产硫酸主要流程如下： 下列说法正确的是 A．高温焙烧1 mol FeS2时转移的电子数为15 NA(NA代表阿伏加德罗数值) B．SO2与H2S反应生成淡黄色沉淀，体现了SO2的还原性 C．反应2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)具有自发性的原因是ΔH＜0 D．98%浓硫酸粘度较高，与其范德华力较大有关 【答案】C 【分析】硫黄或黄铁矿高温下与空气中的氧气反应，生成SO2和Fe2O3；SO2在V2O5作催化剂、400~500℃下被O2进一步氧化生成SO3，SO3被98%浓硫酸吸收，生成H2SO4∙SO3。 【解析】A．高温焙烧1 mol FeS2时，Fe由+2价升高到+3价，S由-1价升高到+4价，则转移的电子数为11 NA(NA代表阿伏加德罗数值)，A不正确； B．SO2与H2S反应生成淡黄色S沉淀，SO2中S元素由+4价降低到0价，体现了SO2的氧化性，B不正确； C．反应2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)的ΔS＜0，要使△H-TΔS＜0，应使ΔH＜0，则反应具有自发性的原因是ΔH＜0，C正确； D．98%浓硫酸粘度较高，与分子间能形成氢键有关，D不正确； 故选C。 【变式1-3】以黄铁矿(主要成分为FeS2，其中S的化合价为﹣1价)生产硫酸的工艺流程如图。下列说法不正确的是 A．将黄铁矿粉碎，可加快其在沸腾炉中的化学反应速率 B．吸收塔排放的尾气可通过氨吸收并制造氮肥 C．接触室中排放出的SO2、O2循环利用，可提高原料利用率 D．沸腾炉中每生成1mol SO2，有11mol e﹣发生转移 【答案】D 【解析】A．将黄铁矿粉碎，可增大反应物的接触面积，加快其在沸腾炉中的化学反应速率，A正确； B．吸收塔中尾气主要有SO2、SO3，为酸性气体，可通过氨吸收形成铵盐，制造氮肥，B正确； C．接触室中SO2和O2反应生成SO3的反应为可逆反应，SO2、O2不能完全反应，循环利用可提高原料利用率，C正确； D．沸腾炉中的反应为4FeS2+11O2=2Fe2O3+8SO2，每生成1mol SO2，消耗(0.125×11)mol氧气，转移0.125mol×11×4=5.5mol电子，D错误； 综上所述答案为D。 题型02 硫酸工业中热能的合理利用 知识积累 工业上常把固体燃料粉碎，把液体燃料喷成雾状，以增加燃料跟空气的接触面积，使燃料尽可能充分燃烧。可以通过热量的充分利用来提高燃料的利用率，如改进设备、利用余热、防止热损失等。使用热交换器是充分利用能源的一种方法（如图）。 【例2】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。下列说法中，正确的是 A． a、b 两处的混合气体成分含量相同，温度相同 B． a、b 两处的混合气体成分含量不同，温度不同 C． c、d 两处的混合气体成分含量相同，温度相同 D． c、d 两处的混合气体成分含量不同，温度不同 【答案】D 【解析】．a处进入的气体是净化后的原料气，主要成分是SO2、空气等，气体的温度为常温。b出来的气体是被预热的气体，其成分与a气体相同，但温度升高了。c处气体是反应物第一次催化反应后的气体，成分中增加了SO3，温度比b处的高。d处是第二次催化后的气体，SO3的含量比c处的高，温度与c处也不相同。答案为D。 【变式2-1】逆流能使物质充分接触，硫酸工业中未采取逆流工艺的是 A．、和 B．硫铁矿和空气 C．浓硫酸和 D．、和平衡混合气 【答案】A 【解析】A．硫酸工业中，、和反应是在接触室中完成的，催化剂是固定在接触室的一定位置，并未采用从上面加入催化剂，从下面通入SO2、O2混合气体，即为采用固体和气体逆流的工艺，A符合题意； B．硫酸工业中，硫铁矿和空气实在沸腾炉中进行，硫铁矿是固体从沸腾炉的中部投料口加入，而从沸腾炉底部通入足量的空气，硫铁矿和空气采用固体和气体逆流工艺以增大其接触面积，是硫铁矿充分煅烧，B不合题意； C．硫酸工业中，在吸收塔中用98.3%的浓硫酸从顶部淋下，气体向上，使二者充分接触，使SO3吸收更加完全，故浓硫酸和采用了逆流工艺，C不合题意；     D．、和平衡混合气之间采用逆流工艺，以利于SO3尽快冷却分离出来，SO2、O2能够尽快受热再次进入接触室进行反应，D不合题意； 故答案为：A。 【变式2-2】工业上制硫酸涉及的三个装置如图，下列有关说法错误的是 A．沸腾炉的进料口a通空气，进料口b加黄铁矿 B．接触室中的反应主要为 C．吸收塔中不用水吸收的原因是溶于水时放出大量的热，从而形成酸雾，降低吸收效率 D．常温下，铁粒与足量浓硫酸混合会发生化学反应，但最终铁粒仍有剩余 【答案】A 【解析】A．沸腾炉的进料口a加黄铁矿，进料口b通空气，故A错误； B．接触室内发生的反应为二氧化硫和氧气发生催化氧化反应生成三氧化硫，该反应为可逆反应，反应的化学方程式为，故B正确； C．三氧化硫与水反应放出大量的热，若用蒸馏水吸收三氧化硫会形成酸雾，降低吸收效率，所以吸收塔内98.3%的浓硫酸不能替换为蒸馏水，故C正确； D．常温下，铁粒与足量浓硫酸混合会发生钝化，故最终铁粒有剩余，故D正确； 故选A。 题型03 硫酸工业中的三废处理 知识积累 【例3】接触法生产硫酸的过程中，对废气、废水、废渣、废热的处理正确的是(　　) ①尾气用氨水处理　②污水用石灰乳处理　③废渣用来造水泥、炼铁　④设置废热锅炉产生蒸汽、供热或发电 A．①② B．①③④      C．①②③         D．①②③④ 【答案】　D 【解析】硫酸厂尾气中含有SO2，可用氨水吸收处理；硫酸厂废水中含有硫酸可用石灰乳中和；硫酸厂废渣中含有SiO2、Fe2O3等，可用于制造水泥、炼铁；由于硫酸生产过程中三个化学反应都是放热反应，可以充分利用这些反应放出的热能来降低生产成本。 【变式3-1】工业上以黄铁矿为原料制硫酸所产生的尾气除了含有N2、O2外，还含有SO2等对环境有较大影响的有害气体。能用于测定硫酸尾气中SO2含量的是（　　） A.NaOH溶液、酚酞试液      B.石灰水、石蕊试液 C.碘水、淀粉溶液            D.氨水、酚酞试液 【答案】  C 【解析】测定SO2含量必须要能跟SO2反应，而且可以用颜色变化来准确确定反应终点。A项和D项虽然能反应，但A在完全生成Na2SO3时溶液还是碱性，没变色，而D在SO2还没与氨水完全反应时就开始变色了。B项石灰水中所含溶质较少，且石蕊试液的颜色变化不明显。 【变式3-2】构建和谐社会的内容之一是人类与环境的和谐发展，而“绿色化学”的内容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副作用，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．消除硝酸工业尾气的氮氧化物的污染： NO＋NO2＋2NaOH===2NaNO2＋H2O C．制CuSO4：Cu＋2H2SO4(浓)=====△　CuSO4＋SO2↑＋2H2O D．制CuSO4：2Cu＋O2＋2H2SO4=====△　2CuSO4＋2H2O 【解析】选项中给出的4个反应均符合化学反应规律，从技术上、原理上均是可行的，但C项会产生污染环境的SO2气体，不符合“绿色化学”的主旨。 【答案】  C 【变式3-3】有关硫酸工业综合经济效益的说法中正确的是(　　) A．甲地有丰富的硫铁矿资源，水源能源充足，交通便利，是风景秀丽的旅游胜地，虽当地使用硫酸的工业不多，但为提高当地经济效益宜建硫酸厂 B．为减少SO2对空气的污染，可以建筑高烟囱，使含SO2的尾气在高空扩散稀释，到达地面时达到安全浓度 C．硫酸生产过程排放的污染物主要是含SO2的尾气、固体烧渣、废酸和废水等 D．选择硫酸厂厂址时，当经济利益与环保问题有冲突时，为提高人们的物质生活水平，应先考虑经济利益的问题 【答案】　C 【解析】　A项中，硫酸厂产生的SO2会污染环境，且H2SO4使用量小，会增加外销的成本；B项中，高烟卤并不能减小SO2的排放量；D项中，应首先考虑环保问题。 1 学科网（北京）股份有限公司 $$ 6.3 化工生产 题型01 工业制取硫酸的反应原理和生产过程 题型02 硫酸工业中热能的合理利用 题型03 硫酸工业中的三废处理 题型01 工业制取硫酸的反应原理和生产过程 知识积累 1．原料 硫铁矿（或硫磺）、空气、水。 2．反应原理 4FeS2 + 11O22Fe2O3 + 8SO2 2SO2 + O22SO3 SO3 + H2O = H2SO4 3．主要设备 沸腾炉、转化器、合成塔 4．以硫铁矿为原料生产硫酸的流程 硫铁矿的破碎与配矿→焙烧→净化→二氧化硫的催化氧化→加水生成硫酸 1．三种原料：硫铁矿（FeS2）、空气、水。 利用接触法制硫酸一般可以用硫黄、黄铁矿、石膏、有色金属冶炼厂的烟气(含一定量的SO2)等。其中用硫黄作原料成本低、对环境污染少。但我国硫黄资源较少，主要用黄铁矿（主要成分为FeS2）作生产硫酸的原料。 2．三步骤、三反应： （1） 4FeS2 +11O2 2Fe2O3+8SO2 （硫磺燃烧也可以） （2）2 SO2+ O2 2 SO3， （3） SO3 + H2O → H2SO4 3．三设备：（1）沸腾炉（2）转化器（3）吸收塔 4．三原理：化学平衡原理、热交换原理、逆流吸收原理。 （1）增大反应物浓度、增大反应物间接触面积，能提高反应速率并使化学平衡向正反应方向移动，以充分提高原料利用率。 （2）热交换原理：在转化器中生成的热量经过热交换器，传递给进入转化器的需要预热的混合气体，为二氧化硫的接触氧化和三氧化硫的吸收创造了有利条件。 （3）逆流原理：液体由上向下流，气体由下向上升，两者在逆流过程中充分反应。 接触法制硫酸的原理、过程及典型设备 三原料 三阶段 三反应（均放热） 三设备 三净化 黄铁矿或S 造气 4FeS2+11O2 2Fe2O3+8SO2 沸腾炉 除尘 空气 接触氧化 2 SO2 + O2   2 SO3  转化器 （含热交换器） 洗涤 98.3%浓硫酸 三氧化硫吸收 SO3+ H2O →  H2SO4 吸收塔 干燥 接触法制硫酸示意图： 5．应用化学反应速率和化学平衡移动原理选择适宜条件 二氧化硫接触氧化的反应是一个气体总体积缩小的、放热的反应。 【例1】以黄铁矿和硫黄为原料生产硫酸，并将产生的尾气综合利用制备焦亚硫酸钠()的流程如图所示。下列说法错误的是 A．黄铁矿煆烧的化学方程式为 B．催化氧化过程中，为提高的利用率，可加大氧气的通入量 C．为提高的吸收效率，试剂I宜采用水进行吸收 D．吸收Ⅱ后得到溶液，则生成焦亚硫酸钠的化学方程式为 【变式1-1】下列关于工业生产硫酸的说法错误的是 A．用水吸收三氧化硫，目的是为了防止形成酸雾 B．工业生产得到的硫酸主要以分子形式存在 C．硫酸工业的尾气必须回收、净化处理，确保制备过程绿色环保 D．接触法制硫酸分为三个流程：硫磺或硫铁矿 【变式1-2】工业以硫黄或黄铁矿(主要成分FeS2，烧渣主要成分为Fe2O3)为主要原料生产硫酸主要流程如下： 下列说法正确的是 A．高温焙烧1 mol FeS2时转移的电子数为15 NA(NA代表阿伏加德罗数值) B．SO2与H2S反应生成淡黄色沉淀，体现了SO2的还原性 C．反应2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)具有自发性的原因是ΔH＜0 D．98%浓硫酸粘度较高，与其范德华力较大有关 【变式1-3】以黄铁矿(主要成分为FeS2，其中S的化合价为﹣1价)生产硫酸的工艺流程如图。下列说法不正确的是 A．将黄铁矿粉碎，可加快其在沸腾炉中的化学反应速率 B．吸收塔排放的尾气可通过氨吸收并制造氮肥 C．接触室中排放出的SO2、O2循环利用，可提高原料利用率 D．沸腾炉中每生成1mol SO2，有11mol e﹣发生转移 题型02 硫酸工业中热能的合理利用 知识积累 工业上常把固体燃料粉碎，把液体燃料喷成雾状，以增加燃料跟空气的接触面积，使燃料尽可能充分燃烧。可以通过热量的充分利用来提高燃料的利用率，如改进设备、利用余热、防止热损失等。使用热交换器是充分利用能源的一种方法（如图）。 【例2】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。下列说法中，正确的是 A． a、b 两处的混合气体成分含量相同，温度相同 B． a、b 两处的混合气体成分含量不同，温度不同 C． c、d 两处的混合气体成分含量相同，温度相同 D． c、d 两处的混合气体成分含量不同，温度不同 【变式2-1】逆流能使物质充分接触，硫酸工业中未采取逆流工艺的是 A．、和 B．硫铁矿和空气 C．浓硫酸和 D．、和平衡混合气 【变式2-2】工业上制硫酸涉及的三个装置如图，下列有关说法错误的是 A．沸腾炉的进料口a通空气，进料口b加黄铁矿 B．接触室中的反应主要为 C．吸收塔中不用水吸收的原因是溶于水时放出大量的热，从而形成酸雾，降低吸收效率 D．常温下，铁粒与足量浓硫酸混合会发生化学反应，但最终铁粒仍有剩余 题型03 硫酸工业中的三废处理 知识积累 【例3】接触法生产硫酸的过程中，对废气、废水、废渣、废热的处理正确的是(　　) ①尾气用氨水处理　②污水用石灰乳处理　③废渣用来造水泥、炼铁　④设置废热锅炉产生蒸汽、供热或发电 A．①② B．①③④      C．①②③         D．①②③④ 【变式3-1】工业上以黄铁矿为原料制硫酸所产生的尾气除了含有N2、O2外，还含有SO2等对环境有较大影响的有害气体。能用于测定硫酸尾气中SO2含量的是（　　） A.NaOH溶液、酚酞试液      B.石灰水、石蕊试液 C.碘水、淀粉溶液            D.氨水、酚酞试液 【变式3-2】构建和谐社会的内容之一是人类与环境的和谐发展，而“绿色化学”的内容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副作用，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．消除硝酸工业尾气的氮氧化物的污染： NO＋NO2＋2NaOH===2NaNO2＋H2O C．制CuSO4：Cu＋2H2SO4(浓)=====△　CuSO4＋SO2↑＋2H2O D．制CuSO4：2Cu＋O2＋2H2SO4=====△　2CuSO4＋2H2O 【变式3-3】有关硫酸工业综合经济效益的说法中正确的是(　　) A．甲地有丰富的硫铁矿资源，水源能源充足，交通便利，是风景秀丽的旅游胜地，虽当地使用硫酸的工业不多，但为提高当地经济效益宜建硫酸厂 B．为减少SO2对空气的污染，可以建筑高烟囱，使含SO2的尾气在高空扩散稀释，到达地面时达到安全浓度 C．硫酸生产过程排放的污染物主要是含SO2的尾气、固体烧渣、废酸和废水等 D．选择硫酸厂厂址时，当经济利益与环保问题有冲突时，为提高人们的物质生活水平，应先考虑经济利益的问题 1 学科网（北京）股份有限公司 $$