Question

2．以黃鐵礦（主要成分是FeS₂）為原料生產硫酸的工藝流程圖如圖：
（1）依據工藝流程圖判斷下列說法不正確的是（選填序號字母）DF．
A．為使黃鐵礦充分燃燒，需將其粉碎
B．過量空氣能提高SO₂的轉化率
C．排出的礦渣可供煉鐵
D．使用催化劑能提高SO₂的化學反應速率和轉化率
E．設備I生成的氣體經凈化的主要目的是防止催化劑中毒
F．熱交換器的目的是使SO₂的熱量傳遞給SO₃，有利于SO₂的氧化和SO₃的吸收
（2）設備Ⅰ的名稱為沸騰爐，燃燒黃鐵礦的化學方程式為4FeS₂+11O₂$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2Fe₂O₃+8SO₂．
（3）設備Ⅱ為接觸室，采用常壓而不采用高壓的原因是常壓時SO₂的轉化率已經很高，采用高壓對SO₂的轉化率提高不多卻會大大增加設備成本．在生產中，為提高催化劑效率采取的措施有凈化氣體、控制溫度在400～500℃；增大催化劑與反應氣體的接觸面積等．
（4）設備Ⅲ為吸收塔，從頂部噴淋98.3%的硫酸吸收SO₃，得到發煙硫酸（或濃硫酸），不用水吸收SO₃是為了避免產生酸霧降低吸收效率．吸收塔中填充有許多瓷管，其作用是增加SO₃與濃硫酸的接觸面，有利于SO₃的吸收．
（5）吸收塔排出的尾氣先用氨水吸收，再用濃硫酸處理，得到較高濃度的SO₂和銨鹽．SO₂既可作為原料循環再利用，也可用于工業制溴過程中吸收潮濕空氣中的Br₂．SO₂吸收Br₂的離子方程式是SO₂+Br₂+2H₂O=4H⁺+2Br^-+SO₄^2-．

Answer 1

分析 以黃鐵礦（主要成分是FeS₂）為原料生產硫酸的工藝流程圖：
第一步：SO₂的制取．主要原料是黃鐵礦和空氣，在高溫下煅燒，使硫元素轉變成SO₂氣體，反應方程式為：4FeS₂+11O₂$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2Fe₂O₃+8SO₂，設備為沸騰爐．黃鐵礦需要粉碎，以增大和空氣的接觸面；
第二步：SO₃的制取．從沸騰爐中出來的氣體需經過凈化、除塵，以防止催化劑中毒，進入接觸室在催化劑作用下SO₂和O₂反應生成SO₃，設備為接觸室，同時涉及熱量的交換、催化劑的作用、平衡的移動等問題；
第三步：硫酸的生成．從接觸室中出來的氣體進入吸收塔，為避免酸霧形成需用濃H₂SO₄吸收，以此解答（1）（2）；
（3）常壓時SO₂的轉化率已經很高，采用高壓增加設備成本；提高催化劑效率可以凈化氣體、控制溫度、增大催化劑接觸面積；
（4）在吸收塔中用水吸收三氧化硫，反應放熱易形成酸霧阻止對三氧化硫的吸收；濃硫酸的沸點高，難以氣化，不會形成酸霧，同時三氧化硫易溶于濃硫酸，吸收塔中填充許多瓷管，增大三氧化硫與濃硫酸的接觸面，有利于三氧化硫的吸收；
（5）二氧化硫吸收溴單質利用的是二氧化硫的還原性和溴單質的氧化性，根據氧化還原反應書寫離子方程式．

解答 解：（1）A．在沸騰爐中，原料黃鐵礦是固體、空氣是氣體，為了加快反應速率，所以要將黃鐵礦粉碎，增大接觸面，提高反應速率，故A正確；
B、轉化率=已轉化的原料的量/原料的總量×100%，接觸室中反應2SO₂+O₂$?_{△}^{催化劑}$2SO₃，為可逆反應，采用空氣過量目的是增大氧氣濃度，促使平衡正向移動，導致SO₂更多的轉化成SO₃，所以SO₂轉化率提高，故B正確；
C．沸騰爐排出的礦渣為F₂O₃，F₂O₃可供煉鐵，故C正確；
D．催化劑只能改變反應速率，不能影響轉化率，故D錯誤；
E．設備I生成的氣體經凈化的主要目的是防止催化劑中毒，故E正確；
F．熱交換器的目的是使SO₂的熱量傳遞給SO₃，有利于SO₂的氧化，但不利于SO₃的吸收，故F錯誤；
故答案為：DF；
（2）設備Ⅰ的名稱為沸騰爐，反應方程式為：4FeS₂+11O₂$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2Fe₂O₃+8SO₂，故答案為：沸騰爐；4FeS₂+11O₂$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2Fe₂O₃+8SO₂；
（3）采用常壓而不采用高壓的原因是常壓時SO₂的轉化率已經很高，采用高壓對SO₂的轉化率提高不多，卻會大大增加設備成本；在生產中，為提高催化劑效率采取的措施有通過凈化氣體、控制溫度在400～500℃、增大催化劑與反應氣體的接觸面積可以提高催化劑效率；
故答案為：常壓時SO₂的轉化率已經很高，采用高壓對SO₂的轉化率提高不多卻會大大增加設備成本；凈化氣體、控制溫度在400～500℃；增大催化劑與反應氣體的接觸面積等；
（4）吸收塔中SO₃如果用水吸收，發生反應：SO₃+H₂O═H₂SO₄，該反應為放熱反應，放出的熱量易導致酸霧形成，阻隔在三氧化硫和水之間，阻礙水對三氧化硫的吸收；而濃硫酸的沸點高，難以氣化，不會形成酸霧，同時三氧化硫易溶于濃硫酸，所以工業上從吸收塔頂部噴灑98.3%的硫酸作吸收液，最終得到“發煙”硫酸；吸收塔中填充許多瓷管，增大三氧化硫與濃硫酸的接觸面，有利于三氧化硫的吸收；
故答案為：98.3%的硫酸；發煙硫酸（或濃硫酸）；避免產生酸霧降低吸收效率；增加SO₃與濃硫酸的接觸面，有利于SO₃的吸收；
（5）SO₂吸收Br₂的反應中二氧化硫被氧化為硫酸，溴單質被還原為溴化氫，離子方程式為SO₂+Br₂+2H₂O=4H⁺+2Br^-+SO₄^2-，故答案為：SO₂+Br₂+2H₂O=4H⁺+2Br^-+SO₄^2-．

點評 本題是對化學與技術及工業生產的考查，需要學生細讀生產工藝圖中各物質的變化進行解答，把握制備濃硫酸的工藝流程及設備的作用、發生的化學反應為解答的關鍵，題目難度中等．