Question

5．工業制硫酸的一種工藝流程如圖1所示：

請回答下列問題：
（1）煅燒前需將黃鐵礦粉碎，其目的是充分燃燒，提高原料的利用率．
（2）煅燒造氣過程中，若每生成1molSO₂氣體放出427.5kJ熱量，煅燒反應的熱化學反應方程式是4FeS₂（s）+11O₂$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2Fe₂O₃（s）+8SO₂（g）△H=-3412kJ/mol．
（3）催化氧化是一個可逆反應，下表是不同條件下的SO₂平衡的轉化率：

SO2的轉化率%	0.1MPa	1MPa	10MPa
400°C	99.2	99.7	99.9
600°C	73.7	89.5	96.4

根據上表數據，你認為SO₂的催化氧化反應實際生產過程中應選擇的條件是溫度在400°C左右、壓強為1MPa．
（4）吸收尾氣過程常用NaOH溶液來吸收SO₂，若在30L 0.1mol•L^-1 的NaOH溶液中通入標準狀況下44.8L SO₂氣體，其反應的離子方程式為3OH^-+2SO₂=SO₃^2-+HSO₃^-+H₂O，反應后的溶液pH＜7，則溶液中離子濃度由大到小的順序是c（Na⁺）＞c（SO₃^2-）＞c（HSO₃^-）＞c（H⁺）＞c（OH^-）．
（5）另一種將SO₂轉化為硫酸的化工流程如圖2．其中催化劑a表面的反應是SO₂+2H₂O-2e^-═SO₄^2-+4H⁺，該流程理論上參加反應的SO₂與加入的H₂O的質量比為8：15．

Answer 1

分析 由制備流程可知，黃鐵礦燃燒生成二氧化硫和氧化鐵，煅燒前需將黃鐵礦粉碎，增大接觸面積，反應速率加快，然后二氧化硫與氧氣發生催化氧化反應生成三氧化硫，利用水吸收三氧化硫得到硫酸．
（1）黃鐵礦粉碎，可使其充分燃燒；
（2）生成1molSO₂氣體放出427.5kJ熱量，則生成8molSO₂氣體放出427.5kJ×8=3412kJ熱量，以此書寫熱化學方程式；
（3）由表格數據可知400°C左右、1MPa轉化率較大，壓強越大，對設備的要求越高；
（4）n（NaOH）=30L×0.1mol/L=3mol，n（SO₂）=$\frac{44.8L}{22.4L/mol}$=2mol，可知守恒可知生成等量的硫酸氫鈉、亞硫酸鈉；反應后的溶液pH＜7，則亞硫酸氫根離子的電離大于亞硫酸根離子水解；
（5）催化劑a表面是SO₂失去電子生成硫酸，總方程為：SO₂+H₂O+$\frac{1}{2}$O₂ =H₂SO₄，先設加入的SO₂的量和加入的水的量，再根據方程求出生成硫酸的量和消耗的水的量．

解答 解：（1）煅燒前需將黃鐵礦粉碎，其目的是充分燃燒，提高原料的利用率，
故答案為：充分燃燒，提高原料的利用率；
（2）生成1molSO₂氣體放出427.5kJ熱量，則生成8molSO₂氣體放出427.5kJ×8=3412kJ熱量，則煅燒反應的熱化學反應方程式是4FeS₂（s）+11O₂$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2Fe₂O₃（s）+8SO₂（g）△H=-3412kJ/mol，
故答案為：4FeS₂（s）+11O₂$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2Fe₂O₃（s）+8SO₂（g）△H=-3412kJ/mol；
（3）反應為放熱反應，壓強大對設備的要求大，則SO₂的催化氧化反應實際生產過程中應選擇的條件是溫度在400°C左右、壓強為1MPa，
故答案為：溫度在400°C左右、壓強為1MPa；
（4）n（NaOH）=30L×0.1mol/L=3mol，n（SO₂）=$\frac{44.8L}{22.4L/mol}$=2mol，可知守恒可知生成等量的硫酸氫鈉、亞硫酸鈉，離子反應為3OH^-+2SO₂=SO₃^2-+HSO₃^-+H₂O；反應后的溶液pH＜7，則亞硫酸氫根離子的電離大于亞硫酸根離子水解，則離子濃度大小為c（Na⁺）＞c（SO₃^2-）＞c（HSO₃^-）＞c（H⁺）＞c（OH^-），
故答案為：3OH^-+2SO₂=SO₃^2-+HSO₃^-+H₂O；c（Na⁺）＞c（SO₃^2-）＞c（HSO₃^-）＞c（H⁺）＞c（OH^-）；
（5）催化劑a表面是SO₂失去電子生成硫酸，電極方程式為SO₂+2H₂O-2e^-=SO₄^2-+4H⁺；催化劑a處的反應為：SO₂+2H₂O-2e^-=SO₄^2-+4H⁺，催化劑b處的反應為：$\frac{1}{2}$O₂+2H⁺+2e^-=H₂O，總方程為：SO₂+H₂O+$\frac{1}{2}$O₂=H₂SO₄，設加入的SO₂為xg，H₂O為yg，
則生成硫酸的質量為$\frac{xg}{64g/mol}$×98g/mol，反應后水的質量為y-$\frac{xg}{64g/mol}$×18g/mol，根據硫酸為49%，可知$\frac{\frac{x}{64}×98}{\frac{x}{64}×98+y-\frac{x}{64}×18}$=49%，解得x：y=8：15，
故答案為：SO₂+2H₂O-2e^-═SO₄^2-+4H⁺；8：15．

點評 本題考查制備實驗及工業制取硫酸，為高頻考點，把握制備流程、離子濃度比較、電解、熱化學方程式等為解答的關鍵，側重分析與實驗能力的考查，注意化學反應原理的應用，綜合性較強，題目難度中等．