2019-2020学年高中化学 第1单元 走进化学工业 课题1 化工生产过程中的基本问题学案 新人教

-1-课题1化工生产过程中的基本问题1．了解生产硫酸的基本流程。2．了解生产中原料的选择。3．了解化学科学实验与化工生产的区别。4．注意生产中的三废处理，防止环境污染。一、依据化学反应原理确定生产过程工业生产上制备硫酸的基本原理：1.以S为原料制备SO2化学反应方程式：S(s)＋O2(g)===SO2(g)，(属放热反应)。2.利用催化氧化反应将SO2氧化成SO3化学反应方程式：2SO2(g)＋O2(g)催化剂△2SO3(g)，(属放热反应)。3.三氧化硫转化成硫酸化学反应方程式SO3(g)＋H2O(l)===H2SO4(l)，(属放热反应)工业生产硫酸分为几个生产阶段？对应的主要设备是什么？提示：(1)三个生产阶段：造气、催化氧化、SO3的吸收。(2)三个主要设备：沸腾炉(造气)、接触室(催化氧化室)、吸收塔。二、生产中原料的选择我国生产硫酸需考虑的问题：1.从基建投资、加工费用及环保方面考虑，用硫黄制硫酸优于用黄铁矿制硫酸。2.我国天然硫资源缺乏，而且开采条件比较复杂。-2-3.我国黄铁矿储量比天然硫黄要大。4.硫黄制硫酸比黄铁矿制硫酸生产流程短，设备简单，三废治理量小，劳动生产率高，易于设备大型化。5.由于原料多需进口，硫黄制硫酸成本比黄铁矿制硫酸高。三、生产中反应条件的控制1.从反应原理分析条件选择(1)主要反应原理：2SO2＋O2催化剂2SO3ΔH0；(2)反应速率要求：高温、高压、用(填“用”或“不用”)催化剂；(3)化学平衡要求：低温、高压、不用(填“用”或“不用”)催化剂。2.从工业生产实际考虑条件选择(1)温度应综合考虑反应速率和实际转化率两个方面；同时还要考虑催化剂的最佳活性。(2)压强除从反应原理考虑外，还要考虑产率、设备条件等。3.工业制硫酸的适宜条件(1)温度：400～500℃(兼顾反应速率和转化率，同时又能使催化剂达到最佳活性)(2)压强：常压(常压下SO2转化率已较高，增压对转化率提高有限)(3)使用催化剂(尽量加大反应速率)四、生产中的三废处理1.尾气吸收H2SO4工业的尾气主要是SO2。SO2＋Ca(OH)2===CaSO3＋H2O，CaSO3＋H2SO4===CaSO4＋SO2↑＋H2O。2.污水处理不同化工生产过程产生的污水，所含杂质不同，要根据杂质的性质不同，采用不同的物理化学方法，如酸碱中和法，重金属离子沉淀法等。3.废渣的利用用黄铁矿为原料生产硫酸的过程中，会排出一些炉渣和矿灰，可作为炼铁的原料；还可用来提炼贵重的有色金属；另外，这些废渣还可作为制造水泥的原料或用于制砖。五、能量的充分利用1.生产1t硫酸需消耗100kW·h的电能，硫酸生产过程中的三个化学反应都是放热反应，生-3-产1t硫酸放出的反应热相当于200kW·h的电能。这些废热的利用，可以向外界输出大量能量，大大降低生产成本。2.可以利用SO2氧化成SO3时放出的热量来预热即将参加反应的SO2和O2等。1.最近，国际上提出的“绿色化学”是指化学工业生产中的()A．对废水、废气、废渣进行严格处理B．在化学生产中少用或不用有害物质以及少排放或不排放有害物质C．在化工生产中，不使用任何化学物质D．在化工厂种草、种树，使其成为花园式工厂解析：选B。“绿色化学”是指在化学工业生产中少用或不用有害物质以及少排放或不排放有害物质。2.下列说法正确的是()A．合成硫酸的工业尾气可以直接排入大气中B．进入接触室的气体，必须先经净化、干燥C．以黄铁矿为原料生产硫酸，从沸腾炉中排出的炉渣可以作为肥料D．在高温、高压下由SO2和O2合成SO3解析：选B。硫酸工业的尾气中含有SO2气体，不能直接排入大气，A错；沸腾炉中排出的炉渣中含有Fe2O3，砷、硒化合物等，不能用作肥料，C错；D项中的反应在常压下效果较好。3.下列物质的制备，符合工业生产实际的是()A．将氯气通入澄清石灰水中制漂白粉B．用离子交换膜法电解饱和食盐水制备烧碱、氢气和氯气C．将氢气和氯气混合后点燃，产物用水吸收制备盐酸D．将SO2和O2的混合气加高压后，通过接触室，制备SO3解析：选B。Cl2通入石灰乳中制漂白粉；H2和Cl2混合后点燃易爆炸；SO2和O2在接触室内常压条件下生成SO3即可。要点1硫酸的生产——接触法探究导引1根据化学反应速率及平衡理论阐述SO2接触氧化生成SO3的适宜条件是什么？提示：常压、较高的温度(400～500℃)和催化剂。-4-1.原料：主要有黄铁矿、硫黄、有色金属冶炼烟气、石膏等。2.原理：以黄铁矿为原料生产硫酸经过三个阶段：(1)SO2的制取：FeS2(s)＋114O2(g)=====高温12Fe2O3(s)＋2SO2(g)ΔH＝－853kJ·mol－1黄铁矿的主要成分是FeS2，黄铁矿在燃烧前需粉碎，增大和氧气的接触面积，使燃烧速率加快且更充分，提高原料利用率。该反应在沸腾炉中进行，从炉内出来的气体叫炉气，成分为SO2、O2、N2、H2O及矿尘，砷、硒化合物等。其中砷、硒化合物和矿尘能使催化剂中毒，可通过除尘、洗涤等方法除去；水蒸气对设备和生产有不良影响，可通过干燥除去。(2)SO2的催化氧化：SO2(g)＋12O2(g)催化剂△SO3(g)ΔH＝－98.3kJ·mol－1此反应是一个可逆反应，正反应是气体体积缩小的放热反应，由化学平衡理论可知，在较低温度下进行有利，但温度低时催化剂活性不高，反应速率低，实际生产中选择常压下400℃～500℃进行，化学反应速率和SO2平衡转化率都比较理想。在接触室的两层催化剂之间装上一个热交换器，把反应生成的热传递给进入接触室需要预热的炉气，同时冷却反应后生成的气体。(3)SO3的吸收：SO3(g)＋H2O(l)===H2SO4(l)；ΔH＝－130.3kJ·mol－1工业上并不直接用水吸收三氧化硫，而是用质量分数为98%的硫酸作吸收剂，因为三氧化硫与水蒸气容易形成酸雾，从而降低了三氧化硫的吸收率。同时采用逆流吸收，硫酸从塔底放出。3.废气、废水、废渣的利用：尾气中的SO2用氨水吸收，生成的(NH4)2SO4作化肥，SO2循环利用。SO2＋NH3＋H2O===NH4HSO3SO2＋2NH3＋H2O===(NH4)2SO32NH4HSO3＋H2SO4===(NH4)2SO4＋2SO2↑＋2H2O(NH4)2SO3＋H2SO4===(NH4)2SO4＋SO2↑＋H2O废水用石灰乳中和：Ca(OH)2＋H2SO4===CaSO4＋2H2O废渣可用于制砖、制水泥、回收有色金属等综合利用。-5-1.以黄铁矿为原料生产硫酸的工艺流程图如下：(1)将煅烧黄铁矿的化学方程式补充完整：4________＋11O2=====高温2Fe2O3＋8SO2(2)接触室中发生反应的化学方程式是_____________________________________________。(3)依据工艺流程图判断下列说法正确的是(选填序号字母)________。a．为使黄铁矿充分燃烧，需将其粉碎b．过量空气能提高SO2的转化率c．使用催化剂能提高SO2的反应速率和转化率d．沸腾炉排出的矿渣可供炼铁(4)每160gSO3气体与H2O化合放出260.6kJ的热量，该反应的热化学方程式是________________________________________________________________________。(5)吸收塔排出的尾气先用氨水吸收，再用浓硫酸处理，得到较高浓度的SO2和铵盐。①SO2既可作为生产硫酸的原料循环再利用，也可用于工业制溴过程中吸收潮湿空气中的Br2。SO2吸收Br2的离子方程式是_________________________________________________。②为测定该铵盐中氮元素的质量分数，将不同质量的铵盐分别加入到50.00mL相同浓度的NaOH溶液中，沸水浴加热至气体全部逸出(此温度下铵盐不分解)，该气体经干燥后用浓硫酸吸收完全，测定浓硫酸增加的质量。部分测定结果：铵盐质量为10.00g和20.00g时，浓硫酸增加的质量相同；铵盐质量为30.00g时，浓硫酸增加的质量为0.68g；铵盐质量为40.00g时，浓硫酸的质量不变。计算：该铵盐中氮元素的质量分数是________%；若铵盐质量为15.00g，浓硫酸增加的质量为________。(计算结果保留两位小数)解析：(3)c项催化剂只能加快反应速率，不能影响平衡移动，不会影响转化率。-6-(5)②依据题意加入铵盐质量为40.00g时，浓硫酸的质量不变，可知铵盐中应含有H＋。设NaOHamol，10g该铵盐中含有NH＋4xmol、H＋ymol，则有SO2－4x＋y2mol。则：18x＋y＋96×x＋y2＝66x＋49y＝10①由于20g铵盐、30g铵盐与amolNaOH反应时NaOH的量均不足，则有：a－2y＝x②a－3y＝0.6817＝0.04③联立①②③得66x＋49y＝10a－2y＝xa－3y＝0.04解之得x＝0.104y＝0.064a＝0.232则铵盐中含氮量为：0.104×1410×100%＝14.56%若铵盐为15g时，此时晶体中含NH＋4为：1.5×0.104＝0.156(mol)；H＋为：1.5×0.064＝0.096(mol)，NaOH的物质的量仍比NH＋4和H＋的物质的量之和小，故此时产生的氨气为0.232－0.096＝0.136(mol)，其质量为0.136×17＝2.31(g)。答案：(1)FeS2(2)2SO2＋O2催化剂△2SO3(3)abd(4)SO3(g)＋H2O(l)===H2SO4(l)ΔH＝－130.3kJ/mol(5)①SO2＋Br2＋2H2O===4H＋＋2Br－＋SO2－4②14.562.31g要点2硫酸工业中连续多步反应的计算探究导引2硫酸工业中涉及哪几个反应，写出化学方程式。提示：S＋O2=====△SO2(或FeS2＋114O2=====高温12Fe2O3＋2SO2)2SO2＋O2催化剂△2SO3SO3＋H2O===H2SO4-7-接触法制硫酸时涉及三个连续反应，所以在关于工业制硫酸的计算性题目中往往涉及这几步连续反应的计算。而对于连续多步反应的计算通常使用关系式法，这样就避免了对中间产物的繁琐计算，节约了时间，提高了计算结果的准确性。关系式法解题需要找准关系式，找关系式的一般方法是根据涉及的多步反应的化学方程式，依照元素质量守恒或电子转移数目守恒的原则找出连续多步反应中元素的转化关系，如在用黄铁矿(硫黄)制硫酸时，根据转化过程中硫元素守恒的原则可以找到这样的关系式：FeS2——2SO2——2SO3——2H2SO4；或S——SO2——SO3——H2SO4在硫酸工业制硫酸的有关计算中通常就利用以上两关系式解题。另外，在有关计算中往往还涉及物质的转化率和损失率的问题，这在连续多步反应的有关计算中也是一个难点问题。对于这一类的问题，需要我们掌握这样几个原则：(1)一种化合物中，一种元素的转化率等于该化合物的转化率，例如在FeS2向SO2转化的过程中，若硫元素的转化率为99%，则FeS2的转化率也为99%。(2)在同一个化学反应或多个相关联的化学反应中，具有个别元素质量守恒关系的反应物和生成物，反应物的转化率等于生成物的产率，例如在FeS2向SO2转化的过程中，FeS2的转化率必等于SO2的产率，在FeS2向H2SO4转化的过程中，FeS2的转化率等于H2SO4的产率。2.某硫酸厂每天用含FeS260%的黄铁矿500t生产硫酸，如果在沸腾炉内损失5%的硫，SO2的转化率为90%。每天能生产98%的硫酸多少吨？解析：本题主要考查如何处理多步反应过程中原料的损失。沸腾炉中损失5%的硫，SO2转化率为90%。这些都可转化为S元素的损失，进而转化为FeS2的损失。所以设生产98%的硫酸x吨。则由关系式：FeS2～2H2SO41202×98500×60%×(1－5%)×90%x×98%即：120∶[500×60%×(1－5%)×90%]＝2×98∶x×98%解得x＝4