1、第 1 课时 生产硫酸的基本流程 学案 【学习目标】 1.依据化学反应原理知识，了解生产硫酸的基本流程。 2.了解硫酸工业生产中原料、厂址和规模的选择。 3.了解硫酸生产过程中反应条件的控制。 4.了解化学科学实验与化工生产的区别。 【重点难点】 1.化工生产过程中的基本问题。 2.工业制硫酸的生产原理。 课前预习 【情景材料】化工生产过程比较复杂，但一些最基本的问题是相似的，例如，任何化工生 产都涉及到传质（物料的流动） 、传热（能员的传导） 、传动（动力的传输）和化学反应器 等。根据课程标准的要求，将化学反应原理、反应发生的条件、原料的选择、三废的处理 和能量的利用等作为化工生产过程中的基
2、本问题，结合一些典型产品的生产过程，使学生 对化工生产的基本过程有一个初步的认识。 【预习内容】 根据教材有关内容填写下列空白： 一、依据化学反应原理确定生产过程 1.工业制备硫酸，要从以下几个方面考虑 (1)采用的原料应该是自然界中的含 物质，如 、 。 (2)生产过程中，要先使硫元素转化成 ，再把 转化成 ，再 与水反应制得 。 2.工业制硫酸主要分 、 、 个阶段 (1)以 S 为原料制备 SO2 化学反应方程式 ， （属 反应） (2)利用催化氧化反庇将 SO2 氧化成 SO3 化学反应方程式 ， （属 反应） (3)三氧化硫转化成硫酸 化学反应方程式 ， （属 反应） 3.工业制硫酸
3、主要生产流程 二、生产中原料的选择 工业生产某种化工产品，选择原料时，要从多方面虑，如 、 、原料、 能源、工业用水的供应能力、储存、运输、预处理成本及环境保护等。 (1)从基建投资、加工费用及环保方面考虑，用 制硫酸优于用 制硫酸。 (2)我国天然硫资源 ，而且开采条件 。 (3)我国黄铁矿储量比天然硫要 。 (4)硫黄制硫酸比黄铁矿制硫酸生产流程 、设备 、三废 少，劳 动生产率 ，易于设备 。 (5)由于原料多需进口，硫黄制硫酸成本比黄铁矿制硫酸 。 三、生产中反应条件的控制 1.硫酸工业生产的三个主要设备是 、 、 。 2.温度较 时，越有利于 SO2 转化为 SO3，通常选择作为操作
4、的温度，因为在这个 温度范围内， 和 都比较理想。 3.压强的增大，SO 2 的转化率 。通常采用操作 。 4.催化剂：催化剂对化学平衡 ，但能改变到达平衡所需的时间，即增大 。 预习内容答案 一、1(1)硫 硫黄 黄铁矿（主要成分 FeS2） (2)SO2 SO2 SO3 H2SO4 2.造气 催化氧化 吸收 (1)S(s)+O2 (g)=SO2 (g) 放热 (2)2SO2 (g)+ O2 (g) 2SO3(g) 放热 (3)SO3(g)+H2O(l)=H2SO4(1) 放热 3.空气 制 SO2 400500 常压、催化剂 SO3 发烟硫酸 水 98%硫酸 98%硫 酸 二、化学反应原理
5、 厂址选择 (1)硫黄 黄铁矿 (2)缺乏 比较复杂 (3)大 (4)短 简单 治理量 高 大型化 (5)高 三、1.沸腾炉 接触室 吸收塔 2.低 400500 反应速率 二氧化硫的转化率 3.变化不大 常压 4.没有影响 化学反应速率 堂中互动 【问题探究 1】对于某一具体的化工产品，研究生产过程要从产品的化学组成和性质考虑， 来确定原料和生产路线。请结合课本写出关于工业制硫酸的反应原理和过程？ 【教师点拨】掌握七个 “三” ，即“三阶段”、 “三原料” 、 “三反应”、 “三设备”、 “三杂质”、 “三净 化”、 “三原理”。 分析解答:化工生产是以化学反应原理为依据，以实验室研究为基础
6、的。任何生产的完成都 要符合化学反应规律。 【即学即练 1】在硫酸的工业制法中，下列生产操作与说明生产操作的主要原因二者都是 正确的是( ) A.硫铁矿燃烧前要粉碎，因为大块的硫铁矿不能燃烧 B.SO3 用 98.3%的浓 H2SO4 吸收，目的是防止形成酸雾，以便 SO3 吸收完全 C.SO2 氧化为 SO3 时需使用催化剂，这样可以提高 SO2 的转化率 D.从沸腾炉出来的炉气需净化，因为炉气中 SO2 会与杂质反应 1.B【解析】本题考查化工生产中的技术处理问题。可从化学反应速率、化学平衡移动及实 际生产三个方面考虑各种操作条件的原因。矿石粉碎是为了提高反应速率，并不是因为大 块的硫铁矿
7、不能燃烧；用浓硫酸吸收 SO3 是为了防止水与其形成酸雾；使用催化剂可以提 高反应速率，但不能提高 SO2 的转化率；从沸腾炉出来的炉气需净化，因为炉气中杂质会 使催化剂中毒。 【问题探究 2】阅读 P6 表 1-1，结合二氧化硫催化氧化的反应特点：是否温度越低越有利 于 SO2 转化为 SO3 ？阅读 P6 表 1-2,分析随压强的增大，SO 2 的转化率怎么改变？是否压 强越高越好? 【教师点拨】反应方程式 2SO2(g)O 2(g) 2SO3(g)，属放热的可逆反应，气体体积减少 的反应，从化学平衡的角度解释。工业生产中压强的选择，往往还要考虑成本和能量消耗 等问题。 分析解答：根据外界
8、条件对化学反应速率和化学平衡影响的规律，选择化工生产的适宜条 件时，既要注意外界条件对二者影响的一致性，又要注意对二者影响的矛盾性；既要注意 温度、催化剂对化学反应速率影响的一致性，又要注意催化剂的活性对温度的限制；既要 注意理论生产，又要注意实际可能性。 【即学即练 2】已知，在硫酸工业中， SO2 转化为 SO3 的反应为： 2SO2 + O2 2SO3 H0。 经测定，在常压下上述反应的平衡混合气体中，SO 2 的体积分数为 91%。 催化剂 V2O5 的催化效率 f 与温度 T 有如图所示的关系。 经除尘除杂后的 SO2 气体的温度约为 200，反应后 SO3 气体温度约为 600。
9、请根据以上信息，选择 SO2 催化氧化的适宜条件。 2.SO2 氧化过程的适宜条件为： 氧气或空气适当过量；常压； 450500； 使用热交换器。 【解析】由及化学平衡原理，加压有利于 SO2 的转化，但由知，常压下 SO2 的转化率 已很高，因转化率的上升空间较小，故不必再来取加压措施，以省掉加压泵的开支和降低 接触室的造价。观察催化剂的催化效率与温度关系图知，450以后催化效率基本不变，升 温有利于提高反应速率，但不利于 SO2 转化，故反应温度控制在 450500为宜。除尘 后 SO2 温度低，不利于 SO2 氧化反应的进行，生成的 SO3 温度高，不利于 SO3 的吸收，解 决这一问题
10、的方法是使用热交换器。 【问题探究 3】二氧化硫的催化氧化反应：2SO 2(g)O 2(g) 2SO3(g) 1.请用平衡移动原理来解释：为什么降低温度和增大压强有利于提高转化率？ 2.如果其他条件不变，分别改变下列条件，将对化学平衡有什么影响？ (1)增大 O2 的浓度； (2)减小 SO3 的浓度。 【教师点拨】如果改变影响平衡的一个条件（如浓度、温度、压强等） ，平衡就向能减弱这 种改变的方向移动。催化剂能同等程度地增加正反应速率和逆反应速率，因此对化学平衡 没有影响，但能改变到达平衡所需的时间。 分析解答：浓度对化学平衡的影响，增大生成物的浓度或减小反应物的浓度时，平衡向 逆反应方向移
11、动。 在生产上，往往采用增大容易取得的或成本较低的反应物浓度的方法，使成本较高的原 料得到充分利用。 (2)压强对化学平衡的影响,一般规律：对于有气体参加且反应前后气体体积不相等的可逆反 应，在其他条件不变的情况下，若增大压强(即相当于缩小容器的体积) ，则平衡向气体总 体积减小的方向移动，若减小压强(即增大容器的体积) ，则平衡向气体总体积增大的方向 移动。 【即学即练 3】有关接触法制硫酸的叙述不正确的是( )。 A.硫黄和硫铁矿均可作为生产原料 B.将矿石粉碎，是为了提高反应速率 C.反应中通入过量的空气是为了提高 FeS2 和和 SO2 的转化率 D.从吸收塔出来的硫酸经浓缩后可以变成
12、发烟硫酸 3.D【解析】A 项，理论上，可转化成 SO2 的任何含硫物质均可作为硫酸的生产原料， （如 S、FeS、FeS 2、 H2S 等） ，但在生产实践中，应选取那些储量大、矿质品位高、资源丰富、 便于开采和加工的矿物作为化工原料，综合分析，A 正确。B 项，生产中对矿石进行粉碎， 既可增大原料之间的相对接触面积（增大反应速率） ，又可提高原料的利用率（转化率） ， 故 B 正确。C 项，从硫酸生产的三个反应看（FeS 2SO 2SO 3H 2SO4，有两个反应要耗 用氧气，故生产中可采用通入过量空气的方法来提高 FeS2 和 SO2 的转化率，故 C 正确。D 项，在吸收塔中，是用 9
13、8%的浓硫酸吸收 SO3 的，所得到发烟硫酸，可用水或稀硫酸稀释， 制得各种浓度的硫酸，故 D 错误。 练案 A 组（课堂反馈 满分 50 分） 一、选择题（每小题 5 分，共 35 分） 1.在以下条件下，宜于建工厂的城市是( )。 A.城市郊区有丰富的黄铁矿资源，水源、能源充足 B.城市是一座风光秀丽、空气清新的旅游城市 C.城市有丰富的磷灰石，拟建一座大型的磷肥厂 D.城市需使用硫酸的工业不多，却有丰富的黄铁矿资源 1.AC【解析】本题考查了从综合的角度分析建设工厂的一般条件。 2.接触法制硫酸中，与之无关的设备是（ ） A.吸收塔 B.接触室 C.沸腾炉 D.氧化炉 2.D【解析】接触
14、法制硫酸三种设备 :沸腾炉、接触室、吸收塔。 3.硫酸工业中燃烧硫铁矿生产 SO2 时，为提高生成 SO2 的速率，下列措施可行的是（ ） A.把块状矿石粉碎成粉末 B.降低温度 C.减小压强 D.使用催化剂 Fe2O3 3.A【解析】生产中对矿石进行粉碎，既可增大原料之间的相对接触面积（增大反应速率） ， 又可提高原料的利用率（转化率） 。 4.化工厂厂址选择是一个复杂的问题，受到原料、水源、能源、土地供应、市场需求、交 通运输和环境保护等诸多因素的制约，硫酸厂应建在( ) 靠近原料产地，远离消费中心的地区 靠近消费中心，稍偏离原料产地的地区 交通便利，人口稠密的居民区 环保要求高的地区，便
15、于“三废”的治理 A. B. C. D. 4.D【解析】因硫酸是一种强腐蚀性液体，运输极不方便，需要较高的成本，所以硫酸工厂 厂址选择上首先要考虑建在且远离环保要求高的地区。 5.下列对硫酸生产中化学反应原理的分析中正确的是（ ） 。 A.硫酸生产中涉及的三个化学反应因原料的不同可能全部是非氧化还原反应 B.硫酸生产中涉及的三个化学反应都是放热反应 C.硫酸生产中涉及的三个化学反应都需要用催化剂 D.硫酸生产中涉及的三个化学反应都需要在较高的温度下才能进行 5.B【解析】硫酸生产中涉及的三个化学反应为： SO 2 SO2 ； 2SO2 + O2 2SO3 ； SO3H 2OH 2SO4。这三个
16、反应中第一和第二个是氧化还原反应，第一和第三个反 应不需催化剂反应就非常快，第三个反应在常温下就非常剧烈，这三个反应都是放热反应 （工业还采取措施利用这些反应放出的热量） ，所以选项 A、C、D 都是错误的，选项 B 正 确。 6.将三氧化硫溶解在硫酸中所得到的混合物称为“发烟硫酸”，通常以三氧化硫的质量分数 表示其组成。将 0.1185 g 发烟硫酸试样溶于水，用 0.125 molL1 的 NaOH 标准溶液滴定。 用去此标准溶液 20 mL，恰好中和，则试样中 SO3 的质量分数为（ ） A.15% B.17% C.34% D.60% 6. A【解析】n(NaOH)0.125molL 1
17、 20103 L2.510 3 mol 2NaOH H2SO4Na 2SO42H 2O 2mol 1mol 2.5103 mol 1.25103 mol 设发烟硫酸的组成为 H2SO4nSO3，溶于水后 1mol 发烟 H2SO4 生成(n1)mol H 2SO4。 故 1.25103 mol H2SO4 对应发烟硫酸的物质的量为： mol1n05.3 可得： n0.220.8gmol80n)g(9ol1n0.51 故 SO3 的质量分数为 52. 7.接触法制硫酸的炉气组成是 SO2 占 7%，O 2 占 11%，N 2 占 82%，现有 100L 混合气体进 入接触室反应后，总体积变为 9
18、7.2L。则该变化过程中 SO2 转化率是( ) A.50% B.60% C.70% D.80% 7.D【解析】解法一：设参加反应的二氧化硫体积为 2x 2 SO2 + O2 2 SO3 N2体积（L） 总体积（L） 开始时体积（L） 7 11 0 82 100 反应后体积 （L）7-2x 11-x 2x 82 100-x 根据题意100-x=97.2 x=2.8L 二氧化硫的转化率为5.6L7L100%=80%，答案为D 。 解法二：设参加反应的二氧化硫体积为2x 2 SO2 + O2 2 SO3 体积差（L） 2L 1L 2 L 1L 2X 100L-97.2L=2.8L X=2.8L 二
19、氧化硫的转化率为5.6L7L100%=80%，答案为D 。 二、填空题（共 15 分） 8.(7 分)工业上生产硫酸时，利用催化氧化反应将 SO2 转化为 SO3 是一个关键步骤。压强及 温度对 SO2 转化率的影响如下表( 原料气各成分的体积分数为 SO2 7%，O 2 11%，N 2 82%)： (1)已知 SO2 的氧化是放热反应，如何利用表中数据推断此结论？_; (2)在 400 500 时，SO 2 的催化氧化采用常压而不是高压，主要原因是 _; (3)选择适宜的催化剂，是否可以提高 SO2 的转化率？_(填“是”或“否”)，是 否可以增大该反应所放出的热量？_( 填“是” 或“否”
20、)； (4)为提高 SO3 吸收率，实际生产中用 _吸收 SO3。 2.(1)压强一定时，温度升高，SO 2 的转化率下降，说明升温有利于逆反应进行，所以正反 应为放热反应（2 分） (2)增大压强对提高 SO2 的转化率无显著影响，反而会增加成本（2 分） (3)否（1 分） 否（1 分） (4)98%浓硫酸 （ 1 分） 【解析】(1)从题中表格数据可以看出同一压强下 SO2 的转化率随温度的升高而降低，说明 可逆反应 2SO2+O2 2SO3 正向为放热反应。 (2)从表中数据可以看出 400 500 ，10 MPa 时，SO 2 转化率为 99.3%99.9% ，可是 常压下 SO2
21、的转化率已经很高，压强增大 100 倍，转化率提高得并不明显，反而需要增大 设备强度，增加投资，降低企业经济效益。 (3)催化剂可以缩短达到平衡的时间，但不可以使平衡发生移动，故不能提高 SO2 的转化率， 也不能增大反应放出的热量。 (4)因为 SO3+H2O =H2SO4 反应放出大量的热，产生的酸雾阻止 SO3 的吸收，所以实际生产 中用 98.3%的浓 H2SO4 吸收 SO3。 9.(8 分)硫酸最古老的生产方法是把绿矾装入反应器中加强热，会流出油状液体，并放出有 刺激性气味的气体（SO 2） ，反应器中的同体变为红色。 (1)写出这种方法中绿矾转化为硫酸的两个化学方程式： ； 。
22、(2)与现代以硫黄为主要原料生产硫酸的方法相比，这种古老的生产硫酸法存在若干不足， 试从原料的利用率、环境保护、生产原理等方面加以说明。 。 9.(1)2FeSO47H2O 14H2O +Fe2O3+SO3+SO2（3 分） SO3+ H2O=H2SO4（2 分） (2) FeSO47H2O 中的硫元素仅有 50%转化为 SO3，原料利用率低，生成的 SO2 污染环境。 （3 分） 【解析】绿矾的组成为 FeSO47H2O，其中铁的化合价是 +2、硫的化合价是+6。题中指出， 加强热后容器内生成了红色固体，这说明有 Fe2O3 生成。在 FeSO47H2O Fe2O3 的变化中 铁元素被氧化，
23、则必有+6 价的硫元素被还原。在此基础上运用质量守恒原理和氧化还原反 应原理进行分析判断，即可写出 FeSO47H2O Fe2O3 的完整的化学方程式。 B 组（课后拓展） 1.硫酸工业生产应考虑综合经济效益问题。 (1)若从下列四个城市中选择一处新建一座硫酸厂，你认为厂址宜选在 _的郊区( 填选 项的标号) A有丰富黄铁矿资源的城市 B风光秀丽的旅游城市 C消耗硫酸甚多的工业城市 D人口稠密的文化、商业中心城市 (2)据测算，接触法制硫酸过程中，若反应热都未被利用，则每生产 1t 98%硫酸需消耗 3.6105kJ 能量。请通过计算判断,若反应:SO 2(g)+1/2O2(g)=SO3(g)
24、 H= 98.3kJmol 1 ； 放出的热量能在生产过程中得到充分利用,则每生产 1t 98%硫酸只需外界提供( 或可向外界 输出)_ kJ 能量； (3)CuFeS2 是黄铁矿的另一成分，煅烧时，CuFeS 2 转化为 CuO、Fe 2O3 和 SO2，该反应的化 学方程式为 。 (4)由硫酸厂沸腾炉排出的矿渣中含有 Fe2O3、CuO、CuSO 4(由 CuO 与 SO3 在沸腾炉中化合 而成)，其中硫酸铜的质量分数随沸腾炉温度不同而变化(见下表) 沸腾炉温度/ 600 620 640 660 矿渣中 CuSO4 的质量分数/% 9.3 9.2 9.0 8.4 已知 CuSO4 在低于
25、660时不会分解，请简要分析上表中 CuSO4 的质量分数随温度升高而 降低的原因 _。 1.(1)C (3 分) (2)输出 62310 5kJ 能量 (4 分) (3)4CuFeS2+13O2=4CuO+2Fe2O3+8SO2 (4 分) (4)SO2 转化为 SO3 是正反应放热的可逆反应，随温度升高，平衡逆移，SO 3 物质的量减少， 所以 CuSO4 的量减少 (或温度升高，SO 3 物质的量减少，故 CuSO4 的量减少)(4 分) 【解析】本题考查化学反应原理在硫酸工业中的应用，如：根据热化学方程式的计算，氧 化还原反应方程式的配平，温度对化学平衡的影响。 (1)硫酸工厂是高耗能
26、高污染的化工企业，不能选在 B风光秀丽的旅游城市和 D人口稠 密的文化、商业中心城市；由于硫酸运输成本较高，黄铁矿石运输成本较低所以宜选在 C消耗硫酸甚多的工业城市。 (2)生产 1t98%硫酸即 104molH2SO4，有 104molSO2 参与反应，根据热化学方程式计算得知， 此时放出 9.83105kJ 热量，而生产 1t 98%硫酸需消耗 3.6105kJ 能量，所以还可输出 6.23105kJ 能量。 (3)已知反应物和产物，不难写出化学方程式，配平时，注意 CuFeS2 中 Cu、Fe、S 原子个 数比为 1：1：2。 (4)由题意可知，CuSO 4 是 SO3 和 CuO 化合
27、生成，既然其质量分数减小，说明温度升高时， SO3 减少或 CuO 减少。联系我们学过的知识，可知 SO2 转化为 SO3 是正反应放热的可逆反 应，随温度升高，平衡逆向移动，SO 3 物质的量减少，所以 CuSO4 的量减少。 2.以黄铁矿为原料生产硫酸的工艺流程图如下： (1)将燃烧黄铁矿的化学方程式补充完整 4_+11O2 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
28、可供炼铁 (4)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。 SO2 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 。SO 2 吸收 Br2 的离子方程式是_。 2.(1)FeS2 (2)2SO2O 2 2SO3 (3)abd (4)SO3(g)H 2O(l)=H2SO4(l) H=130.3kJmol 1 (5)SO2Br 22H 2O=4H 2Br SO 42 【解析】本题考查接触法制硫酸的工艺流程。 (1)由元素守恒知，横线处的物质必需有铁和硫两种元素，且个数比为 1:2；所以答案为： FeS2 (2)接触室中是二氧化
29、硫的催化氧化反应，答案为：2SO 2 O2 2SO3。 (3)由沸腾炉的名字知，在此反应的物质必须是很小的颗粒，以保证其充分反应，a 正确； 因 2SO2O 2 2SO3 反应是可逆反应，增加氧气的量有利于平衡右移， b 正确；催化剂对 平衡移动无影响，c 错；沸腾炉中的炉渣有氧化铁，所以炉渣可以用来炼铁，d 正确；答案 为：abd。 (4)溴单质能氧化二氧化硫，二者的反应为 SO2Br 22H 2O=4H 2Br SO 42 。 3.硫酸工业在国民经济中占有极其重要的地位。 (1)硫酸的最大消费渠道是化肥工业，用硫酸制造的常见化肥有_( 任写一种)。 (2)硫酸生产中，根据化学平衡原理来确定
30、的条件或措施有_( 填写序号)。 A.矿石加入沸腾炉之前先粉碎 B.使用 V2O5 作催化剂 C.转化器中使用适宜的温度 D.净化后的炉气中要有过量的空气 E.催化氧化在常压下进行 F.吸收塔中用 98.3%的浓硫酸吸收 SO3 (3)在硫酸工业中，通过下列反应使二氧化硫转化为三氧化硫：2SO 2(g)+O2(g) 2SO3(g)； H=-98.3 kJmol-1。在实际工业生产中，常采用“二转二吸法 ”，即将第一次转化生成的 SO3 分离后，将未转化的 SO2 进行二次转化，假设两次 SO2 的转化率均为 95%，则最终 SO2 的 转化率为_。 (4)硫酸的工业制法过程涉及三个主要的化学反
31、应及相应的设备( 沸腾炉、转化器、吸收塔)。 三个设备分别使反应物之间或冷热气体之间进行“对流”。请简单描述吸收塔中反应物之 间是怎样对流的。_。 工业生产中常用氨- 酸法进行尾气脱硫，以达到消除污染、废物利用的目的。用化学方程 式表示其反应原理。_(只写出 2 个方程式 即可)。 3.(1)硫酸铵(或硫酸钾 )(2)D(3)99.75% (4)SO3 从吸收塔底部进入，吸收剂(浓硫酸) 从顶部下淋，形成对流 SO2+NH3+H2O =NH4HSO3；2NH 4HSO3+H2SO4 =(NH4)2SO4+2H2O+2SO2 或 SO2+2NH3+H2O =(NH4)2SO3；(NH 4)2SO3+H2SO4 =(NH4)2SO4+H2O+SO2 【解析】常用硫酸来制硫酸钾和硫酸铵等化肥。硫酸生成过程中为了提高转化率，通常加 入过量的空气，来提高 SO2 的转化率；而加入催化剂和适用合适的温度，都是问题提高速 率，并不是为了提高原料的转化率。(2)根据化学平衡原理来确定的条件有 D 项(增大反应 物浓度，使平衡正向移动)。根据化学平衡原理，降温有利于平衡向正向移动，保持适宜温 度是为了使催化剂效率最高。(3)转化率为 95%+(1-95%)95%=99.75%。(4) 注意 SO2 用 NH3 吸收后再用 H2SO4 处理，可得相应的化肥。 SO2 可以再次循环利用。
