Question

工業上以黃鐵礦為原料生產硫酸主要分為三個階段進行，即煅燒、催化氧化、吸收．請回答下列個問題：
（1）煅燒黃鐵礦形成的爐氣必須經除塵、洗滌、干燥后進入______（填設備名稱），其主要目的是______．
（2）催化氧化所使用的催化劑釩觸媒（V₂O₅）能加快二氧化硫氧化速率，此過程中產生了一連串的中間體（如圖1）．其中a、c二步的化學方程式可表示為：______、______．
（3）550℃時，SO₂轉化為SO₃的平衡轉化率（α）與體系總壓強（p）的關系如圖2所示．則：將2.0mol SO₂和1.0mol O₂置于5L密閉容器中，反應達平衡后，體系總壓強為0.10M Pa．該反應的平衡常數等于______．A與B表示不同壓強下的SO₂轉化率，通常情況下工業生產中采用常壓的原因是______．
（4）為循環利用催化劑，科研人員最新研制了一種離子交換法回收釩的新工藝，
回收率達91.7%以上．已知廢釩催化劑中含有V₂O₅、VOSO₄及不溶性殘渣．查閱資料知：VOSO₄可溶于水，V₂O₅難溶于水，NH₄VO₃難溶于水．該工藝的流程如圖．
則：反應①②③④中屬于氧化還原反應的是______（填數字序號），反應①的離子方程式為______．該工藝中反應③的沉淀率（又稱沉礬率）是回收釩的關鍵之一，沉釩率的高低除受溶液pH影響外，還需要控制氯化銨系數（NH₄Cl加入質量與料液中V₂O₅的質量比）和溫度．根據下圖試建議控制氯化銨系數和度：______、______．

Answer 1

解：（1）以黃鐵礦為原料生產硫酸主要分為三個階段進行，即煅燒、催化氧化、吸收；其中二氧化硫的催化氧化在催化劑表面和空氣中的氧氣接觸反應，若氣體中含有雜質氣體容易使催化劑中毒，所以煅燒黃鐵礦形成的爐氣必須經除塵、洗滌、干燥；故答案為：接觸室，防止催化劑中毒．
（2）依據圖1中的轉化關系，V₂O₅參與反應先做氧化劑把二氧化硫氧化為三氧化硫，本身被還原為圖中產物V₂O₄；根據氧化還原反應的實質寫出并配平a步化學方程式SO₂+V₂O₅?SO₃+V₂O₄；C是VOSO₄轉化為SO₃，此過程需要重新生成催化劑V₂O₅，需要氧化劑完成，此過程中的氧化劑時氧氣，根據化合價的變化寫出C步化學方程式 4VOSO₄+O₂?2V₂O₅+4SO₃；故答案為：4VOSO₄+O₂?2V₂O₅+4SO₃
（3）2SO₂+O₂2SO₃ 體系總壓強為0.10M Pa，此時二氧化硫的轉化率為80%
2SO₂ +O₂2SO₃
起始量（mol） 2 1 0
變化量（mol） 2×0.8 0.8 2×0.8
平衡量（mol） 0.4 0.2 1.6
平衡時各物質的濃度為：[SO₂]=0.08mol/L，[O₂]=0.04mol/L，[SO₃]=0.32mol/L，代入平衡常數的計算式得到平衡常數K==400 L?mol^-1，
從圖象中可以看出，常壓SO₂就可以達到較高的轉化率，壓強的增加引起SO₂轉化率的變化并不明顯，所以工業上直接采用常壓；
故答案為：400 L?mol^-1，使用常壓SO₂就可以達到較高的轉化率；
（4）依據離子交換法回收釩的新工藝流程圖分析反應過程中：
①的目的是把難溶的五氧化二釩還原為溶于水的VOSO₄；
②的目的是用KClO₃還原為VOSO₄為（VO₂）₂SO₄；
③因為NH₄VO₃難溶于水，此步驟的目的是沉淀VO₃^-
④是分解NH₄VO₃得到V₂O₅；
工藝中反應③的沉淀率（又稱沉礬率）是回收釩的關鍵之一，沉釩率的高低除受溶液pH影響外，還需要控制氯化銨系數（NH₄Cl加入質量與料液中V₂O₅的質量比）和溫度．根據圖示分析數據，80℃時沉礬率最高為98%，所以加NH₄Cl的系數從圖中讀出為4；
故答案為：①②；V₂O₅+SO₃^2-+4H⁺=2VO²⁺+SO₄^2-+2H₂O；4和80℃；
分析：（1）煅燒黃鐵礦形成的爐氣主要是二氧化硫氣體，進入接觸室前必須對氣體繼續除塵、洗滌、干燥，防止催化劑中毒，影響催化氧化的效果；
（2）根據催化劑參與反應過程生成的中間產物，分析催化劑參與反應，最終重新生成來書寫化學方程式；
（3）根據化學平衡計算的三段式進行計算，壓強的增加引起SO₂轉化率的變化并不明顯，所以工業上直接采用常壓；
（4）根據流程中釩元素的存在化合物中的化合價的變化，判斷出發生氧化還原反應的是①②；反應①是利用亞硫酸鈉在酸性溶液中的還原性把難溶的V₂O₅轉化為易溶于水的VOSO₄便于釩的提取；根據圖1和圖2分析坐標系中的表示含義，結合圖②中的沉礬率在80度C時最大，約為98%，在圖①中找到對應沉礬率98%下的控制氯化銨系數為4．
點評：本題考查了工業制硫酸的生產步驟、原理應用、注意問題，化學平衡的應用和條件選擇，利用信息進行判斷和書寫化學方程式的能力，圖象分析能力，提取釩元素的流程分析和氧化還原反應的應用．